Baterie nejsou třeba. Napájení vyřešíme bezdrátově

V „Rarely Asked Questions“ číslo 162 se řešila zajímavá otázka. Pokud v dané aplikaci z nějakého důvodu nemůžeme osadit baterii, lze ji napájet bezdrátově? Odpověď je souhlasná, zvláště když zde budeme mít k dispozici jednoduché integrované řešení ve stylu „nanopower“. A že bylo původně vyhrazené sběru energie z okolního prostředí? To přece vůbec nevadí.

Systém bezdrátového přenosu energie WPT (Wireless Power Transfer) se skládá ze dvou částí oddělených vzduchovou mezerou: obvodů vysílače (Tx) společně s jeho cívkou a také z bloku přijímače (Rx) a jeho indukčnosti, přesně jak to vidíme na obr. 1. Podobně jako v případě klasického transformátoru bude i zde střídavé buzení cívky vysílače prostřednictvím magnetického pole způsobovat stejnou změnu na straně přijímače. Na rozdíl od typického transformátoru však mezi primárním vinutím vysílače a sekundární stranou přijímače zpravidla uvažujeme velmi slabou vazbu. Příčina spočívá v nemagnetickém materiálu spojeném právě se (vzduchovou) mezerou.

Většina současných aplikací s bezdrátovým přenosem energie je konfigurována jako bezdrátové nabíječky akumulátorů. Dobíjecí článek dostal své místo na straně přijímače a k jeho bezdrátovému nabíjení pak dochází pokaždé, když se budeme nacházet v blízkosti vysílače. Po ukončení nabíjecího procesu a následném oddálení akumulátoru z dosahu nabíječky se o napájení koncové aplikace znovu postará dobíjecí baterie. Zátěž pak lze připojit buď přímo k akumulátoru, nepřímo s využitím ideální diody PowerPath™, příp. též k výstupu bateriově napájeného regulátoru vestavěného do integrovaného obvodu nabíječky. Ve všech třech případech může být koncová aplikace napájena z nabíječky, nebo také ne (viz obr. 2).

Jak si ale poradíme v případě, kdy naše aplikace nebude mít žádnou baterii a místo toho se s požadavkem na stabilizovanou napěťovou hladinu setkáme pouze v přítomnosti bezdrátového zdroje? Příklady takových zapojení se hojně vyskytují v oblasti dálkových senzorů, měření, v diagnostice v automobilovém průmyslu nebo i medicíně. Obejde-li se třeba takové čidlo bez trvalé přítomnosti napájení, nemusí mít vlastní zdroj, který by bylo v případě primárního článku nutné pravidelně nahrazovat, resp. v opačném případě dobíjet. Pokud se navíc od zmíněného senzoru očekává výstup jen za přítomnosti uživatele, proč jej nenapájet bezdrátově a pouze na vyžádání?

To se již ale dostáváme k napájecímu zdroji „nanopower“ využívajícímu sběru energie z okolního prostředí a obvodům LTC3588-1 [1]. Přestože byly tyto součástky původně navrženy s důrazem na EH (Energy Harvesting) a napájení řešené pomocí vhodného převodníku (např. piezoelektrický, solární článek apod.), lze prvky LTC3588-1 doporučit i v případě bezdrátového napájení. Kompletní řešení WPT složené z vysílače i přijímací části s výše zmiňovaným obvodem LTC zachycuje obr. 3. Na straně vysílače se uplatní jednoduchý bezdrátový transmitter pracující v otevřené smyčce založený na polovodičově řešeném oscilátoru TimerBlox® LTC6992 [2]. V našem návrhu byl zvolen budicí kmitočet 216 kHz, takže se dostáváme pod rezonanční frekvenci obvodu LC 266 kHz. Přesný poměr fLC_TX vůči fDRIVE nejlépe stanovíme zkusmo a s cílem minimalizovat ztráty M1 během spínání (ZVS). Úvahy spojované se stranou vysílače, volbou cívky a také provozním kmitočtem se od jiných řešení bezdrátového přenosu energie WPT vůbec neliší. Využívat na opačné straně přijímače obvodů LTC3588-1 není totiž nic mimořádného.

Rezonanční kmitočet členu LC je na straně přijímače nastaven tak, aby odpovídal budicí frekvenci 216 kHz. Vzhledem k tomu, že spousta aplikací využívajících sběru energie požaduje usměrnění střídavých průběhů, a WPT není výjimkou, bude mít obvod LTC3588-1 tuto funkci již vestavěnou a prvek LC tak lze zapojit přímo k jeho vývodům s označením PZ1 a PZ2. Usměrnění přitom probíhá v širokém pásmu, od stejnosměrných úrovní až do více než 10 MHz. Podobně jako je tomu u vývodu VCC na obvodech LTC4123 [3], LTC4124 či LTC4126 [4], bude také v případě pinu VIN obvodu LTC3588-1 docházet k regulaci, a to tak, aby svou úrovní napomáhala při zajištění dalšího napájení. V případě prvků LTC3588-1 však budeme místo nabíječky akumulátoru hovořit o výstupu snižujícího DC/DC regulátoru s hysterezí. K dispozici pak máme čtyři pinově volitelná výstupní napětí o velikosti 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V a 3,6 V spolu s trvalým proudovým zatížením až 100 mA. Výstupní kondenzátor lze dále přizpůsobit tak, aby vykrýval vyšší krátkodobé proudové špičky, pokud ovšem na výstupu nepřekročíme střední hodnotu 100 mA. Zmíněná plná výstupní proudová zatížitelnost se pochopitelně odvíjí od přiměřené velikosti vysílače, dvojice cívek a dostatečné vazby.

Pokud bude dostupný výkon u bezdrátového vstupu převyšovat potřeby zátěže, napětí VIN poroste. I když obvod LTC3588-1 pamatuje na vstupní ochranu (shunt) odvádějící při nárůstu napětí VIN nad 20 V proud o velikosti až 25 mA, bez této funkce se klidně obejdeme. S rostoucím napětím VIN se bude stejně tak zvyšovat i špičkové střídavé napětí na cívce přijímací části, což odpovídá poklesu v množství „ac“ určeného k dodání obvodu LTC3588-1, spíše než aby jen docházelo k cirkulaci. Jestliže bude u této cívky dosaženo napětí naprázdno (VOC) dříve, než VIN vzroste na 20 V, dochází k ochraně dalších připojených obvodů a na integrované součástce přijímače se přitom neztrácí žádné teplo.

Pokud jde o výsledky testu, dosahoval u zapojení z obr. 3 a se vzduchovou mezerou v délce 2 mm maximální měřený výstupní proud hodnoty 30 mA (při 3,3 V). Změřené napětí VIN bez zátěže činilo 9,1 V. Pro takřka nulovou vzduchovou mezeru se pak maximální dostupný výstupní proud vyšplhal přibližně na 90 mA, zatímco napětí VIN bez zatížení vzrostlo pouze na 16,2 V. To je s ohledem na výše popsanou vstupní ochranu dostatečná rezerva (viz také obr. 4).

Máme-li tedy co do činění s aplikacemi bez vlastních baterií a můžeme-li přitom počítat s bezdrátově navrženým zdrojem napájení, zajistí nám obvod LTC3588-1 jednoduché integrované řešení pro účely výroby stabilní napěťové úrovně s nízkým proudovým odběrem a také plnou vstupní ochranou.