Cómo añadir carga inalámbrica de forma rápida y rentable a dispositivos sellados y con limitaciones de espacio

La creciente demanda de diminutos dispositivos inalámbricos sellados requiere soluciones de carga más eficaces. Los métodos de carga convencionales son insatisfactorios para los usuarios finales, plantean problemas en dispositivos con limitaciones de espacio y no son adecuados para entornos difíciles. Aunque la carga inalámbrica resuelve muchos de estos problemas, las soluciones disponibles no cumplen los requisitos de integración, potencia y eficiencia de estos dispositivos.

Este artículo analiza la necesidad de soluciones de carga mejoradas para dispositivos sellados y con limitaciones de espacio. A continuación, presenta una versátil solución de carga inalámbrica de Analog Devices y muestra cómo ayuda a los desarrolladores a implantar fácilmente una carga adecuada, segura y eficiente.

Creciente demanda de soluciones de carga más eficaces

La creciente demanda de dispositivos electrónicos portátiles más compactos, como auriculares, dispositivos intraauriculares y dispositivos de fitness, sigue impulsando la necesidad de soluciones de carga que satisfagan las limitaciones de tamaño físico de estas aplicaciones y garanticen la integridad de las unidades selladas en diversos entornos operativos. Los métodos de carga convencionales que se basan en conectores físicos no satisfacen estas demandas debido a su susceptibilidad al desgaste y a factores ambientales, como el polvo y la humedad. Como resultado, las tecnologías de carga inalámbrica se han convertido en algo más que una característica novedosa, emergiendo como un requisito fundamental para esta clase de productos.

Al eliminar la necesidad de puertos de carga externos, los sistemas de transferencia de potencia inalámbrica (WPT) ofrecen una solución potencial al funcionar a través de un entrehierro entre una fuente de carga y un dispositivo cerrado. En la práctica, sin embargo, el diseño de soluciones WPT eficaces presenta múltiples retos técnicos, como la eficiencia de la transferencia de potencia, la gestión de fallos y la gestión térmica y de baterías. Las limitaciones de espacio complican aún más las cosas.

Dispositivos altamente integrados que simplifican el diseño de WPT

El cargador inalámbrico de iones de litio LTC4124 y el transmisor de potencia inalámbrico LTC4125 de Analog Devices se desarrollaron para ayudar a los diseñadores a satisfacer las demandas de alta integración, potencia y eficiencia que exigen los dispositivos sellados y con limitaciones de espacio.

Presentado en un encapsulado LQFN de solo 2 × 2 milímetros y 0.74 mm de altura, el LTC4124 integra todas las funciones necesarias para cargar una batería de iones de litio con una corriente de carga seleccionable de hasta 100 miliamperios (mA) (Figura 1).

Figura 1: Con sus amplias capacidades funcionales, el cargador inalámbrico de iones de litio LTC4124 simplifica las implementaciones WPT. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Gracias a su completa funcionalidad de carga integrada, el dispositivo puede funcionar como cargador de baterías de iones de litio independiente sin necesidad de componentes adicionales. Sus completas funciones de carga lineal de batería de voltaje constante/corriente constante (CC/CV) programable mediante clavijas se completan con terminación de temporizador de seguridad, detección de batería defectuosa y recarga automática.

La capacidad de desconexión por batería baja del LTC4124 ayuda a proteger las baterías en un estado de carga muy bajo frente a descargas adicionales, que pueden reducir la vida útil de la batería. La función de desconexión hace que el LTC4124 se apague cuando no hay alimentación de entrada disponible y el voltaje de la batería cae por debajo de un mínimo especificado. Al apagarse, el aparato abre un interruptor de desconexión (M3 en la figura 1) que impide que se siga descargando la batería. Con la función de modo de envío, el LTC4124 evita la descarga de la batería hasta que se aplica alimentación a su pin ACIN o DCIN.

El LTC4124 también puede configurarse para impedir la carga si la temperatura de la batería es demasiado alta, y puede indicar visualmente el estado de carga con la adición de un termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) y un diodo emisor de luz (LED) (Figura 2).

Figura 2: Utilizando solo dos componentes, un LED y una resistencia NTC, junto con el cargador LTC4124, los desarrolladores pueden implementar un cargador completo calificado por temperatura con un indicador visual de estado de carga. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

Conectando un circuito de tanque resonante inductor-capacitor (LC) paralelo externo a la patilla ACIN del LTC4124, los desarrolladores pueden ampliar fácilmente este diseño básico para crear la parte receptora de un sistema WPT. Combinado con el LTC4125 de Analog Devices, este enfoque proporciona una solución WPT completa de 100 mA (Figura 3).

Figura 3: El transmisor LTC4125 y el cargador LTC4124 proporcionan una solución WPT compacta de 100 mA. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Al igual que el LTC4124, el LTC4125 es un dispositivo altamente integrado diseñado específicamente para aplicaciones WPT. Se presenta en un paquete QFN de 5 × 4 × 0.75 mm y puede suministrar más de 5 vatios con una alimentación de 3 a 5 voltios (Figura 4).

Figura 4: El transmisor de potencia inalámbrica LTC4125 de Analog Devices integra todos los bloques funcionales necesarios para suministrar más de 5 vatios a un receptor debidamente sintonizado. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

En el corazón de este dispositivo, la tecnología AutoResonant, propiedad de Analog Devices, detecta y adapta automáticamente la frecuencia de resonancia del circuito LC en serie conectado en sus pines de conmutación (SW1 y SW2). Además de optimizar la potencia de transmisión, la tecnología AutoResonant desempeña un papel crucial en la detección de objetos extraños. Cuando se coloca un objeto extraño cerca de la bobina de transmisión, la inductancia efectiva de la bobina disminuye significativamente y la frecuencia de conducción del LTC4125 aumenta. Como se indica más adelante, este aumento de la frecuencia de accionamiento se utiliza como indicación de la presencia de un objeto extraño.

Optimización del WPT

Durante el WPT, el gestor de alimentación inalámbrica integrado del receptor LTC4124 rectifica el voltaje de CA del campo magnético alterno generado por la bobina de transmisión de la mitad transmisora de un par transmisor/receptor del sistema WPT. Gracias a su comparador integrado (CP1) y a sus interruptores (SW1 y SW2), el gestor de potencia inalámbrico LTC4124 mantiene la tensión rectificada en el pin V_CC a un nivel justo por encima de la tensión de la batería (V_BATT) derivando el circuito del tanque resonante a masa cuando recibe más energía de la necesaria para cargar la batería.

Sin embargo, la potencia disipada por este mecanismo de derivación puede aumentar la carga térmica del dispositivo. El transmisor LTC4125 proporciona un mecanismo más directo para reducir la cantidad de energía que llega al receptor.

Mientras que su tecnología AutoResonant optimiza la entrega de potencia, el LTC4125 cuenta con una capacidad de búsqueda de potencia óptima que supervisa y ajusta la salida de potencia del transmisor para que coincida con la carga del receptor en una secuencia continua de ciclos de búsqueda. En cada ciclo, el LTC4125 aumenta progresivamente la potencia de transmisión mediante incrementos graduales de la tensión de anchura de impulsos (V_PTH), que es proporcional a la anchura de los impulsos suministrados al puente que impulsa la corriente de la bobina. Un cambio significativo en la tensión de realimentación del tanque resonante (V_FB) indica que la potencia de transmisión es suficiente para alcanzar o superar la carga del receptor y la búsqueda se detiene en esa tensión de ancho de pulso, que mantiene el nivel de potencia de salida del transmisor deseado hasta el siguiente ciclo de búsqueda (Figura 5).

Figura 5: La función de búsqueda de potencia óptima del transmisor LTC4125 adapta la potencia de salida a la carga del receptor realizando una búsqueda escalonada para encontrar el nivel de salida adecuado. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La búsqueda de potencia óptima del LTC4125 realiza cada ciclo de búsqueda a través de un flujo de proceso fijo hasta que detecta una condición de salida válida o una de varias condiciones de fallo (Figura 6).

Figura 6: Al realizar su algoritmo de búsqueda de potencia óptima, el transmisor LTC4125 continúa incrementando la potencia de salida en una serie de pasos hasta que encuentra una condición de salida válida o una de varias condiciones de fallo. (Fuente de la imagen: Analog Devices).

En este proceso, el LTC4125 reconoce varias condiciones de salida predefinidas y válidas que indican la potencia de transmisión óptima. Además, el desarrollador puede especificar dos condiciones de salida programables, incluido el umbral de corriente de entrada (V_ITH) para limitar la corriente de entrada y el umbral de tensión del depósito diferencial (DTH), para optimizar la potencia de transmisión en escenarios de uso que impliquen un acoplamiento deficiente entre las bobinas transmisora y receptora.

El LTC1425 detecta automáticamente varias condiciones de fallo que pueden comprometer la seguridad y la eficacia de la transferencia de potencia:

• Superación del umbral de temperatura de la bobina determinado por el voltaje NTC (V_NTC) detectado en su pin de entrada NTC.
• Superación del umbral máximo de voltaje del depósito detectado a través del voltaje del pin FB V_FB>V_IN
• Superación del umbral de sobretemperatura del molde interno (150 °C típico)
• Superación del umbral de frecuencia, que indica la presencia de un objeto extraño debido a una reducción de la inductancia de la bobina de transmisión y un aumento asociado de la frecuencia de accionamiento.
• Superación del límite de corriente de entrada (ILIM)
• Completar la rampa de búsqueda sin encontrar una condición de salida válida

La aparición de cualquiera de estas condiciones de fallo hace que el dispositivo detenga el suministro de energía hasta el siguiente intervalo de búsqueda.

Para los desarrolladores, las características, como el accionamiento AutoResonant y la búsqueda de potencia óptima, funcionan automáticamente, en función de las condiciones de salida y avería. Aunque los umbrales de algunas de estas condiciones están fijados en el dispositivo, los desarrolladores mantienen un control considerable sobre los distintos aspectos utilizados para determinar los ajustes de potencia, las condiciones de salida y las condiciones de fallo.

Con el kit de demostración DC2770A-A-KIT y el kit de demostración DC2770A-B-KIT de 100 mA de Analog Devices, los desarrolladores pueden evaluar rápidamente el rendimiento del receptor LTC4124 y el transmisor LTC4125 al cargar una batería de iones de litio hasta 100 mA. Cada kit incluye una placa transmisora basada en LTC4125 y una placa receptora basada en LTC4124. Ambos vienen equipados con puentes y puntos de conexión para ajustar las características de rendimiento del dispositivo y supervisar los resultados.

Conclusión:

La tendencia hacia dispositivos compactos y sellados complica el diseño de métodos eficaces para cargar las baterías de las que dependen. WPT ofrece una solución eficaz, pero la implementación de diseños de carga inalámbrica eficientes es todo un reto. Un receptor y transmisor de potencia inalámbrica de Analog Devices, diseñado para afrontar estos retos, simplifica la implementación de WPT en dispositivos sellados y con limitaciones de espacio.