Ładowarka bezprzewodowa z układem LTC4124

Budowa i działanie

Układ składa się z dwóch bloków, nadajnika sygnału w.cz. oraz odbiornika zintegrowanego z ładowarką akumulatora LiPo/Li-Ion wraz ze ścieżką zasilania. Schemat nadajnika został pokazany na rysunku 1, a odbiornika na rysunku 2.

Rysunek 1. Schemat nadajnika

Rysunek 2. Schemat odbiornika

Nadajnik zasilany jest z zasilacza 5 V/250 mA poprzez złącze PWR. Dioda LD1 sygnalizuje obecność zasilania. Układ U1 jest generatorem sygnału prostokątnego o wypełnieniu 50%. Częstotliwość generacji jest ustalona poprzez wartość R2||R3 na ok. 1 MHz. Opcjonalnym rezystorem R3 można dobrać jej dokładną wartość. Tranzystor Q1 kluczuje obwód rezonansowy, na który składają się elementy C2, C3, LTXC.

Rezonans obwodu jest ustalony na częstotliwość ok. 1,3 MHz co zapewnia minimum strat w Q1. Dokładne zestrojenie częstotliwość obwodu rezonansowego ustalamy poprzez dobór opcjonalnego kondensatora C3. Cewka nadawcza podłączona jest bezpośrednio do pól lutowniczych LTX płytki nadajnika. Dla minimalizacji strat, cewka obwodu nadawczego wykonana jest na rdzeniu ferrytowym licą w.cz. Dioda D1 pełni funkcję zabezpieczenia przepięciowego dla zasilania układu.

Odbiornik zasilany jest energią w.cz. z obwodu rezonansowego LRXC, C1 sprzężonego magnetycznie z cewką nadajnika. Cewka odbiorcza podłączona jest bezpośrednio do pól lutowniczych LRX płytki odbiornika. Układ U1 typu LTC4124, którego struktura została pokazana na rysunku 3 zawiera w sobie obwód prostowania sygnału w.cz., ładowarkę akumulatora litowego z możliwością parametryzacji napięcia i prądu ładowania, układ zabezpieczenia akumulatora przez nadmiernym rozładowaniem, timer ładowania, zabezpieczenie termiczne oraz klucz zasilania zasilanego układu.

Rysunek 3. Struktura wewnętrzna układu LTC4124

Dzięki integracji kilku bloków funkcjonalnych LTC4124 jest w stanie zapewnić bezprzewodowe ładowanie i zasilanie wraz z podstawowymi obwodami zabezpieczającymi dla urządzeń IoT, Wearable lub inteligentnych przetworników pomiarowych Smart Metering. Model współpracuje z niewielkim akumulatorem typu 350926, 3,7 V/60 mAh.

Akumulator podłączony do złącza ACC ładowany jest prądem 25 mA, końcowe napięcie ładowania wynosi 4,2 V. Prąd ładowania ustalany jest wyprowadzeniami IS1, IS2, a napięcie końcowe przy pomocy wyprowadzeń VS1, VS2. Na wyprowadzeniu VCC, potencjał VOUT (złącze PWR) dostępne jest napięcie akumulatora, gdy układ jest poza zasięgiem nadajnika lub napięcie wyższe od napięcia akumulatora o ok. 1 V gdy dostępny jest transfer energii z nadajnika. Napięcie VOUT nie jest stabilizowane.

Proces ładowania poprzedzony jest cyklem ładowania wstępnego, prądem 2,5 mA (ok. 10% prądu ładowania), co aktywowane jest wyprowadzeniem PCHG=VCC. Napięcie odcięcia akumulatora podczas rozładowania ustalono na bezpieczną wartość 3,2 V, stanem wyprowadzenia LBS=VCC. Proces ładowania nadzorowany jest wbudowanym timerem o czasie 3 godzin oraz termistorem NTC umieszczonym na płytce odbiornika. Jeżeli zastosowany akumulator posiada wbudowany termistor NTC 100 kΩ, wtedy TH jest zbędny. Jeżeli kontrola temperatury nie jest wymagana, TH może zostać zastąpiony rezystorem 100 kΩ.

Dioda LD sygnalizuje proces ładowania. Jeżeli LD nie świeci, układ sygnalizuje brak transferu energii, wolne miganie (ok. 0,8 Hz) sygnalizuje aktywny transfer energii i ładowanie akumulatora, szybkie miganie (6 Hz) awarię akumulatora lub zakłócenie ładowania, stałe świecenie oznacza zakończenie cyklu ładowania.

Ze względu na specyficzną konstrukcję wyjścia CHG, zastosowany LED musi świecić przy niewielkim prądzie ok. 300 µA. Rezystancja klucza podczas rozładowania akumulatora wynosi ok. 0,5 Ω, a dopuszczalny prąd rozładowania akumulatora to 1 A. Oczywiście dane te dotyczą układu LTC4124 i należy je zweryfikować pod kątem możliwości prądowych zastosowanego akumulatora.

Montaż i uruchomienie

Układ został zmontowany na dwóch niewielkich dwustronnych płytkach drukowanych (nadajnik i odbiornik), których schemat wraz z rozmieszczeniem elementów został pokazany na rysunku 4. Montaż układu nie wymaga opisu, zastosowany układ U1 ma miniaturową obudowę LQFN z wkładką radiatorową. Należy zwrócić uwagę na poprawne przylutowanie wkładki do masy układu.

Rysunek 4. Schemat płytek PCB wraz z rozmieszczeniem elementów

Prawidłowo zmontowany układ nie wymaga uruchamiania. Warto jednak sprawdzić, napięcia i prąd ładowania. Do poprawnej pracy odstęp cewek nadawczej i odbiorczej powinien wynosić 2 mm. Dosyć istotne jest wzajemne położenie środków cewek, co wymaga uwzględnienia przy aplikacji ładowarki. Osiągnięta sprawność zależy od dokładności zestrojenia obwodów rezonansowych oraz wzajemnego położenia cewek, w modelu oscylowała od 30...40%.

Adam Tatuś, EP