【導讀】據Gartner 發(fā)布的全球可穿戴設備數據報告顯示，2018 年全球可穿戴設備出貨量達到 1.79 億部，較 2017 年的 1.41 億部同比增長(cháng) 27.1%。在未來(lái)，新興市場(chǎng)可穿戴設備的出貨量將進(jìn)一步增長(cháng)，智能可穿戴設備未來(lái)五年復合年增長(cháng)率將達到 26.3%，預計到 2022 年發(fā)貨量將躍升至 4.53 億部。
無(wú)線(xiàn)充電——可穿戴設備應用最廣泛的充電技術(shù)
大多數市場(chǎng)數據都表明，設備兩次充電之間的可用時(shí)間長(cháng)度是影響消費者便捷式設備購買(mǎi)選擇的關(guān)鍵因素。由于對于連續使用的需要，可穿戴設備的電池續航時(shí)間需要超出消費者的期望。這意味著(zhù)除了集成更多傳感器和功能，可穿戴設備還需要能在兩次充電之間使用更長(cháng)的時(shí)間。
達到此目的有兩種方法，其一是補充電池電量，其二則是尋找可穿戴設備充電的創(chuàng )新途徑，如能量采集或無(wú)線(xiàn)充電。截止目前，可穿戴設備最廣泛使用的充電技術(shù)就是無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)。無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)擁有眾多優(yōu)勢，例如，它使易于發(fā)生故障的插頭成為多余?？梢詫⒃O備內置在具備防潮能力的外殼中。用戶(hù)也無(wú)須忍受插入電纜的麻煩。
具有原邊控制和接收器的感應式功率傳輸概念
另一方面，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的種類(lèi)及標準多樣。在可穿戴市場(chǎng)興起之前，幾乎每家電源管理廠(chǎng)商的設備都處于各自為戰的狀態(tài)下，無(wú)法通用。不過(guò)近年來(lái)隨著(zhù)谷歌、微軟、蘋(píng)果等公司相繼大舉進(jìn)入可穿戴市場(chǎng)，無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)的通用性得到了很大的改觀(guān)。各大電源管理的器件及設備廠(chǎng)商也都拿出了符合無(wú)線(xiàn)電源協(xié)會(huì )規定的互操作性標準的產(chǎn)品。事實(shí)上，ADI公司就為可穿戴設備提供了廣泛的電源管理組合，包括無(wú)線(xiàn)充電的可穿戴設備電源解決方案。
如何解決高效與散熱難題？這里有DHC方法論
LTC4120，這是一款無(wú)線(xiàn)功率接收器和電池充電器。該器件集成了已獲專(zhuān)利的動(dòng)態(tài)協(xié)調控制(Dynamic Harmonization Control，簡(jiǎn)稱(chēng)DHC)技術(shù)實(shí)現了高效率非接觸式充電，而且在接收器中不會(huì )產(chǎn)生熱量或電氣負擔過(guò)重問(wèn)題。采用這種技術(shù)，可以通過(guò)長(cháng)達1.2cm 的距離傳送高達2W功率。然而，對單節鋰離子(Li-Ion)電池而言，最高充電電壓為4.2V，最大充電電流為400mA，這將使DHC技術(shù)的傳送功率限制到1.7W。類(lèi)似地，2W最大功率將兩節鋰離子電池(8.4V最高充電電壓) 的充電電流限制到240mA。
功率、效率、距離和尺寸的大小決定了系統性能，因此，基于LTC4120的無(wú)線(xiàn)電源系統設計當使用幾種可選發(fā)送器的其中一款時(shí)，通過(guò)長(cháng)達1.2cm的距離在電池端接收高達2W的功率。視所采用方法和組件的不同而不同，效率計算結果會(huì )有很大變化。在基于LTC4120的系統中，一般情況下，電池會(huì )接收 45%~55% 饋送到發(fā)送器的DC輸入功率。
LTC4120中嵌入的DHC調諧技術(shù)與其他無(wú)線(xiàn)電源解決方案相比有一些顯著(zhù)優(yōu)勢。為了響應環(huán)境和負載變化，DHC動(dòng)態(tài)改變接收器上諧振儲能電路的諧振頻率。DHC在允許更長(cháng)傳送距離的同時(shí)，實(shí)現了更高的功率傳送效率，從而使接收器尺寸能夠更小。顯然，DHC解決了所有無(wú)線(xiàn)電源系統的基本問(wèn)題。所有系統都必須設計為通過(guò)給定最長(cháng)傳送距離接收一定量的功率，所有系統也都必須設計為在最短傳送距離時(shí)能夠承受無(wú)負載情況而不被損壞。其他同類(lèi)解決方案用復雜的數字通信系統解決這一問(wèn)題，但增加了復雜性和成本，限制了功率傳送距離，而基于LTC4120的無(wú)線(xiàn)電源系統用DHC技術(shù)簡(jiǎn)便地解決了這一問(wèn)題。
探尋良好保護、緊湊的無(wú)線(xiàn)充電器接收器解決方案——
繼LTC4120之后，ADI又發(fā)布了多款新型無(wú)線(xiàn)充電器，其中包括LTC4126，該芯片是帶有1.2 V無(wú)電感DC-DC轉換器的全功能7.5 mA 無(wú)線(xiàn)鋰離子電池充電器，設計用于助聽(tīng)器、無(wú)線(xiàn)耳機和其他需要無(wú)線(xiàn)充電的空間受限可穿戴產(chǎn)品。與基于 LTC6990的ZVS 單晶體管發(fā)射器組合使用，可獲得完整的無(wú)線(xiàn)充電解決方案。
LTC4126的設計高度集成，只需幾個(gè)外部組件即可創(chuàng )建完整的無(wú)線(xiàn)充電器接收器解決方案，可將整個(gè)設計安裝在助聽(tīng)器或耳塞的內部（直徑為6 mm 的應用板）。
具有集成式DC-DC轉換器和充電器狀態(tài)輸出的完整6 mm直徑無(wú)線(xiàn)電池充電器接收器
LTC4126充電器、DC-DC轉換器（充電泵DC-DC轉換器具有三種操作模式，具體取決于電池電壓，以提高整體效率）具有一個(gè)無(wú)線(xiàn)功率控制器，使其能夠從發(fā)射線(xiàn)圈（LTC6990）產(chǎn)生的交流磁場(chǎng)無(wú)線(xiàn)接收功率。無(wú)線(xiàn)功率控制器將接收器端諧振電路的交流電壓整流成VCC引腳的直流電壓。此直流電壓饋入線(xiàn)性充電器，線(xiàn)性充電器再調節對電池的充電。
如果LTC4126接收的能量超出所需能量，無(wú)線(xiàn)功率控制器通過(guò)將接收器諧振電路分流接地來(lái)調節線(xiàn)性充電器的輸入VCC。這樣，線(xiàn)性充電器將高效運行，因為其輸入正好保持在電池電壓VBAT之上。接合分流電路時(shí)，諧振電路也會(huì )接收較少的功率，因為諧振頻率與發(fā)射器頻率失調。
同時(shí)LTC4126中的集成式恒流(CC)/恒壓(CV)線(xiàn)性鋰離子電池充電器可通過(guò)一組完整的保護功能確保充電周期正常運行，包括安全計時(shí)器的自動(dòng)充電和自動(dòng)終止、不良電池檢測和超出溫度范圍充電暫停功能。LTC4126包括可傳遞至系統微控制器的充電器狀態(tài)和電池電壓電平信號。
下圖為使用LTC6990作為振蕩器來(lái)驅動(dòng)低功率晶體管的簡(jiǎn)單諧振電路。為實(shí)現ZVS操作，發(fā)射器諧振回路頻率設置為振蕩頻率的1.29倍。通過(guò)這種方式，大幅減少了開(kāi)關(guān)損耗，并提高了整體無(wú)線(xiàn)充電效率。此發(fā)射器只需幾個(gè)組件，并可安裝在小型外殼中。
具有單晶體管ZVS發(fā)射器和LTC4126接收器的完整無(wú)線(xiàn)充電解決方案
結論
事實(shí)上，可穿戴設備的發(fā)展才剛剛起步，業(yè)界有許多的創(chuàng )新，遍及硬件設計和軟件體驗。目前市場(chǎng)關(guān)注的焦點(diǎn)雖然主要在消費市場(chǎng)，但在商業(yè)與工業(yè)應用中，可穿戴設備在例如瓦斯檢測、輔助物流管理等許多地方也已經(jīng)開(kāi)始嶄露頭角?？梢灶A見(jiàn)的是，未來(lái)可穿戴設備與物聯(lián)網(wǎng)應用的進(jìn)一步結合將具有非常大的發(fā)展潛力，而無(wú)線(xiàn)充電解決方案性能的繼續優(yōu)化將為便攜產(chǎn)品增加更多的市場(chǎng)和應用潛能。
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