공간 제약이 있는 밀폐형 장치에 비용 효과적으로 빠르게 무선 충전을 추가하는 방법

소형 크기의 밀폐형 무선 장치에 대한 수요가 늘어남에 따라 더욱 효과적인 충전 솔루션이 요구되고 있습니다. 기존의 충전 접근 방식은 최종 사용자에게 불만족스럽고 공간 제약이 있는 장치에서 문제를 일으키며 열악한 환경에 적합하지 않습니다. 무선 충전은 이러한 문제의 대다수를 해결하지만 현재 제공되는 솔루션은 이러한 장치의 통합, 전력, 효율 요구 사항에 미치지 못합니다.

이 기사에서는 공간 제약이 있는 밀폐형 장치의 고급 충전 솔루션에 대한 필요성에 대해 논의합니다. 그런 다음 Analog Devices의 다목적 무선 충전 솔루션을 소개하고 이 솔루션을 통해 개발자가 적합하고 안전하며 효율적인 충전을 손쉽게 구현하는 방법을 보여줍니다.

더욱 효과적인 충전 솔루션에 대한 수요 증가

헤드셋, 인이어 장치, 피트니스 장치와 같은 더욱 콤팩트한 웨어러블 전자 기기에 대한 수요가 증가하면서 이러한 응용 제품의 물리적 크기 제약 조건을 충족하고 다양한 작동 환경에서 밀폐된 기구의 무결성을 보장하는 충전 솔루션에 대한 요구가 계속 증가하고 있습니다. 물리적 커넥터에 의존하는 기존의 충전 방법은 마모 및 환경적 요인(예: 먼지 및 수분)에 대한 취약성으로 인해 이러한 요구 사항을 충족하지 못합니다. 결과적으로 무선 충전 기술은 새로운 기능 이상으로, 이러한 종류의 제품에 대한 기본 요구 사항으로 떠오르고 있습니다.

외부 충전 포트에 대한 필요성을 제거함으로써, 무선 전력 전달(WPT) 시스템은 충전 소스와 밀폐형 장치 간의 공극에서 작동함으로써 잠재적인 솔루션을 제공합니다. 그러나 실제로 효과적인 WPT 솔루션을 설계하는 데에는 전력 전달 효율, 결함 처리, 배터리/열 관리를 비롯한 여러 기술적 과제가 있습니다. 타이트한 공간 제한 충족에 대한 요구는 문제를 더욱 어렵게 만듭니다.

고도로 통합된 장치를 통해 WPT 설계 간소화

설계자들이 공간 제약이 있는 밀폐형 장치에서 요구되는 고도의 통합, 전력, 효율 요구 사항을 충족하는 데 도움을 주기 위해 Analog Devices의 LTC4124 무선 리튬 이온 충전기 및 LTC4125 무선 전력 송신기가 개발되었습니다.

2mm x 2mm에 불과한 너비와 0.74mm의 높이를 가진 LQFN 패키지로 제공되는 LTC4124는 선택 가능한 최대 100mA의 충전 전류로 리튬 이온 배터리를 충족하는 데 필요한 모든 기능을 통합합니다(그림 1).

그림 1: 포괄적인 기능 역량을 갖춘 LTC4124 무선 리튬 이온 충전기는 WPT 구현을 간소화합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

포괄적인 통합 충전 기능을 갖춘 이 장치는 추가적인 부품 없이 독립적인 리튬 이온 배터리 충전기로서의 역할을 수행할 수 있습니다. 모든 기능을 갖추었으며, 핀 프로그래밍이 가능한 정전류/정전압(CC/CV) 선형 배터리의 충전 역량은 안전 타이머 종료, 불량 배터리 감지, 자동 재충전 기능을 통해 완성됩니다.

LTC4124의 저배터리 분리 기능은 매우 낮은 충전 상태의 배터리가 더 이상 방전되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. 그 이상으로 방전될 경우 배터리 수명이 감소될 수 있습니다. 이 분리 기능을 통해 LTC4124는 사용 가능한 입력 전력이 없거나 배터리 전압이 지정된 최소값 아래로 떨어질 경우 정지할 수 있습니다. 장치가 정지되면 분리 스위치가 열려(그림 1의 M3) 배터리가 더 이상 방전되지 않도록 합니다. 전송(ship) 모드 기능을 갖춘 LTC4124 는 전력이 ACIN 또는 DCIN 핀에 인가될 때까지 배터리 방전을 차단합니다.

LTC4124는 또한 배터리 온도가 너무 높을 경우 충전을 방지하도록 구성할 수 있으며 NTC(반비례 온도 계수) 서미스터와 LED(발광 다이오드)를 추가하여 충전 상태를 시각적으로 표시할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 설계자는 LTC4124 충전기와 함께 단 2개의 부품 LED 및 NTC 저항기를 사용하여 시각적 충전 상태 표시기를 갖춘 완전한 온도 인증 충전기를 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

외부의 병렬 인덕터-커패시터(LC) 공진 탱크 회로를 LTC4124의 ACIN 핀에 연결하면 WPT 시스템의 수신기 측을 생성하도록 이 기본 설계를 손쉽게 확장할 수 있습니다. Analog Devices의 LTC4125와 페어링할 경우 이 접근 방식은 완전한 100mA WPT 솔루션을 제공합니다(그림 3).

그림 3: LTC4125 송신기 및 LTC4124 충전기는 콤팩트한 100mA WPT 솔루션을 제공합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LTC4124와 같이 LTC4125도 WPT 응용 제품을 위해 특별히 설계된 고집적 장치입니다. 이 장치는 5mm × 4mm × 0.75mm 크기의 QFN 패키지로 제공되며 3V ~ 5V 공급 범위에서 5W 이상을 제공할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: Analog Devices LTC4125 무선 전력 송신기는 적절하게 조정된 수신기에 5W 이상을 제공하는 데 필요한 모든 기능 블록을 통합합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 장치의 중심에서 Analog Devices의 독접적 AutoResonant 기술은 스위치 핀(SW1 및SW2)에 연결된 직렬 LC 회로의 공진 주파수를 자동으로 감지하고 일치시킵니다. 송신 전력의 최적화 이외에도 AutoResonant 기술은 이물질 감지에 결정적인 역할을 수행합니다. 이물질이 송신 코일 가까이 위치할 경우 효과적인 코일 유도 용량이 크게 감소되고 LTC4125 구동 주파수가 증가됩니다. 아래에 표시된 대로, 구동 주파수의 증가는 이물질이 존재함을 나타냅니다.

WPT 최적화

WPT 동안 LTC4124 수신기의 통합 무선 전력 관리자는 WPT 시스템 송신기/수신기 쌍의 송신기 측 송신 코일에서 생성된 교류 자계에서 AC 전압을 정류합니다. 통합 비교기(CP1) 및 스위치(SW1 및 SW2)를 사용하여 LTC4124 무선 전력 관리자는 배터리를 충전하는 데 필요한 에너지보다 많은 에너지가 공급될 경우 공진 탱크 회로를 접지로 션트하는 방식으로 V_CC 핀의 정류 전압을 배터리 전압(V_BATT)보다 약간 높은 수준으로 유지합니다.

그러나 이 션트 매커니즘에서 손실된 전력은 장치의 열 부하를 증가시킬 수 있습니다. LTC4125 송신기는 수신기에 공급되는 에너지 양을 줄일 수 있는 더 직접적인 메커니즘을 제공합니다.

AutoResonant 기술은 전력 전달을 최적화하는 반면 LTC4125는 지속적인 검색 주기 시퀀스에서 수신기 부하에 맞게 송신기 전력 출력을 모니터링하고 조정하는 최적 전력 검색 기능을 갖추고 있습니다. 각 주기에서 LTC4125는 펄스 폭 전압(V_PTH)을 단계적으로 증가시켜 송신 전력을 점차적으로 높입니다. 이는 코일 전류를 구동하는 브리지에 전달되는 펄스 폭에 비례합니다. 공진 탱크 피드백 전압(V_FB)의 큰 변화는 송신 전력이 수신기 부하를 충족하거나 초과하기에 충분함을 나타내며, 검색은 다음 검색 주기까지 원하는 송신기 출력 전력을 유지하는 해당 펄스 폭 전압에서 중지됩니다(그림 5).

그림 5: LTC4125 송신기 최적 전력 검색 기능은 적절한 출력 레벨을 찾기 위해 단계적 검색을 수행하여 전력 출력을 수신기 부하에 일치시킵니다. (이미지 출처: Analog Devices)

LTC4125의 최적 전력 검색은 유효한 종료 조건이나 여러 결함 조건 중 하나를 감지할 때까지 고정된 프로세스 흐름을 통해 각각의 검색 주기를 수행합니다(그림 6).

그림 6: 최적 전력 검색 알고리즘을 수행하는 과정에서 LTC4125 송신기는 유효한 종료 조건이나 여러 결함 조건 중 하나가 발생할 때까지 일련의 단계로 전력 출력을 계속 증가시킵니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이 프로세스에서 LTC4125는 최적의 송신 전력을 나타내는 여러 개의 사전 정의된 유효한 종료 조건을 인식합니다. 또한 개발자는 입력 전류 임계값(V_ITH)을 포함하여 프로그래밍 가능한 두 가지 종료 조건을 지정하여 입력 전류 및 차동 탱크 전압 임계값(DTH)을 제한하고 송신 코일과 수신기 코일 간 결합이 좋지 않은 사용 시나리오에서 송신 전력을 최적화할 수 있습니다.

LTC1425는 전력 전송의 안전성과 효율성을 해칠 수 있는 여러 가지 결함 조건을 자동으로 감지합니다.

• NTC 입력 핀에서 감지된 NTC 전압(V_NTC)에 의해 결정된 코일 온도 임계값을 초과합니다.
• FB 핀 전압 V_FB>V_IN을 통해 감지된 탱크 전압의 최대 임계값을 초과합니다.
• 내부 다이 과열 임계값(통상 150°C)을 초과합니다.
• 주파수 임계값을 초과합니다(송신 코일 유도 용량의 감소 및 연결된 구동 주파수 증가로 인해 이물질이 있음을 나타냄).
• 입력 전류 제한(ILIM)을 초과합니다.
• 유효한 종료 조건 발견 없이 검색 램프가 완료되었습니다.

이러한 결함 조건이 발생하면 장치는 다음 검색 간격까지 전력 전달을 중지합니다.

개발자의 경우 AutoResonant 구동 및 최적 전력 검색과 같은 기능은 종료 및 결함 조건에 따라 자동으로 작동합니다. 이러한 조건 중 일부에 대한 임계값은 장치에 고정되어 있지만, 개발자는 전력 설정, 종료 조건 및 결함 조건을 결정하는 데 사용되는 다양한 측면에 대해 상당한 제어를 유지합니다.

Analog Devices의 DC2770A-A-KIT 데모 키트와 100mA DC2770A-B-KIT 데모 키트를 사용하여 개발자는 리튬 이온 배터리를 최대 100mA로 충전할 때 LTC4124 수신기 및 LTC4125 송신기의 성능을 신속하게 평가할 수 있습니다. 각 키트에는 LTC4125 기반 송신기 기판과 LTC4124 기반 수신기 기판이 포함되어 있습니다. 둘 모두 장치 성능 특성을 설정하고 결과를 모니터링하기 위한 점퍼 및 연결 포인터가 장착되어 제공됩니다.

결론

콤팩트한 밀폐형 장치를 향한 추세로 인해 장치에 사용되는 배터리를 충전하는 효과적인 방법의 설계가 복잡해졌습니다. WPT는 효과적인 솔루션을 제공하지만 효율적인 무선 충전 설계를 구현하는 것은 어려운 일입니다. 이러한 과제를 해결하도록 설계된 Analog Devices의 무선 전력 수신기 및 송신기는 공간 제약이 있는 밀폐형 장치에서 WPT 구현을 간소화합니다.