瑞萨电子开发医疗设备无线充电解决方案

电子魔法师 发表于 2018-05-25 15:01:40 收藏 已收藏
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瑞萨电子开发医疗设备无线充电解决方案

电子魔法师 发表于 2018-05-25 15:01:40

  无线充电技术优缺点

  优点:

  安全:无通电接点设计,可以避免触电的危险。

  耐用:电力传送元件无外露,因此不会被空气中的水份、氧气等侵蚀;无接点的存在,也因此不会有在连接与分离时的机械磨损及跳火等做成的损耗。

  在使医疗植入装置较为安全:在植入嵌入式医疗装置上,可以在不损害身体组织的情况下对植入在人体内的医疗装置进行充电而不需要有电线穿过皮肤及其他自体组织,免去感染的风险。

  方便:充电时无需以电线连接,只要放到充电器附近即可。技术上,一个充电器可以对多个用电装置进行进电,在有多个用电装置的情况下可以省去多个充电器、不用占用多个电源插座、没有多条电线互相缠绕的麻烦。

  缺点:

  效率低:能量存送效率不及真实接触。

  充电速度慢:由于效率低,在同样的输入功率下,充电速度较慢。

  成本高:在充电器需要有推动线圈的电子线路,而在用电装置需要有电力换换的电子装置,两者也需要有线圈,因此成本比直接接触为高。

  不能在移动时充电:这个问题只在移动装置上发生,例如电须刨在充电时就不能移离充电器,若电须刨内的电池刚完全用尽,这时电须刨就不能使用,反而传统以电线连接的设计反而可以以电线连接上充电器的情况下继续使用。

  兼容性低:不同品牌的无线充电装置因为无统一标准,因此不能通换使用。近年,业界组织 Qi 开始推行标准化,展望将会有望达至标准统一。

  无线充电各种原理及方案比较

  无线充电技术,即Wireless charging technology,是指具有电池的装置不需要借助于电导线,利用电磁波感应原理或者其他相关的交流感应技术,在发送端和接收端用相应的设备来发送和接收产生感应的交流信号来进行充电的一项技术,源于无线电力输送技术。

  无线充电技术的研究,源于19世纪30年代,迈克尔-法拉第发现电磁感应现象,即磁通量变化产生感应电动势,从而在电线中产生电流。但最早的无线电力传输思想是尼古拉-特斯拉(Nikola Tesla) 在19世纪90年代提出的无线电力传输构想和无线输电试验,因而有人称之为无线电能传输之父。

  从具体的技术原理及解决方案来说,目前无线充电技术主要有电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式四种基本方式。这几种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。

  各种无线充电方式都有各自的特点,具体比较如表1所示。

瑞萨电子开发医疗设备无线充电解决方案

  表1 无线充电各种原理方案的比较

  当前最成熟、最普遍的是电磁感应式。其根本原理是利用电磁感应原理,类似于变压器,在发送端和接收端各有一个线圈,初级线圈上通一定频率的交流电,由于电磁感应在次级线圈中产生一定的电流,从而将能量从传输端转移到接收端,如图1所示。PWC联盟发起者Powermat公司用电磁感应式推出过一款WiCC充电卡,与SD卡差不多大,内部嵌有线圈和电极等组件,插入现有智能手机电池旁边即可使用。

瑞萨电子开发医疗设备无线充电解决方案

  图1 电磁感应式无线充电原理

  磁共振式也称为近场谐振式,由能量发送装置,和能量接收装置组成,当两个装置调整到相同频率,或者说在一个特定的频率上共振,它们就可以交换彼此的能量,其原理与声音的共振原理相同,排列在磁场中的相同振动频率的线圈,可从一个向另一个供电,如图2。技术难点是小型化和高效率化,被认为是将来最有希望广泛应用于电动汽车无线充电的一种方式。

瑞萨电子开发医疗设备无线充电解决方案

  图2 磁共振式无线充电示意图

  无线电波式,基本原理类似于早期使用的矿石收音机,主要有微波发射装置和微波接收装置组成。典型的是20世纪60年代布朗(William C. Brown)的微波输电系统,其示意图如图3。整个传输系统包括微波源、发射天线、接收天线3部分;微波源内有磁控管,能控制源在2. 45 GHz频段输出一定的功率;发射天线是64个缝隙的天线阵,接收天线拥有25%的收集和转换效率。日本龙谷大学的移动式无线充电系统,也是通过频率为2.45GHz 的微波送电,点亮了行驶中的模型警车的警灯。

瑞萨电子开发医疗设备无线充电解决方案

  图3 无线电波式电能传输

  电场耦合式利用通过沿垂直方向耦合的两组非对称偶极子而产生的感应电场来传输电能,其基本原理是通过电场将电能从发送端转移到接收端。这种方式主要是村田制作所采用,具有抗水平错位能力较强的特点。

  瑞萨电子开发医疗设备无线充电解决方案

  全球领先的半导体解决方案供应商瑞萨电子株式会社,已经宣布推出一款非接触式无线充电解决方案,用于要求具有防水、防尘性能的低功耗应用,如助听器及其他可穿戴设备。

  新型无线充电解决方案由一个电源接收器集成电路(IC)(RAA457100)和一个电源发送器集成电路(RAA458100)组成,每个集成电路都在单块芯片上集成了无线充电所需的全部功能。瑞萨电子还将提供一个评估套件,用于为制造商的无线充电设计提供帮助。

  无线充电技术免除了给电池充电或连接电源线的麻烦,这一便利性受到诸如智能手机和可穿戴设备在内的一系列应用的广泛欢迎。无线充电技术尤其受到诸如助听器等小型低功耗且需防水防尘应用的关注。然而现存无线充电技术并不适合紧凑型锂离子二次蓄电池的充电系统,其难点包括:以现有标准规定的天线尺寸难以实现小巧外形;由更大充电电流带来的散热困难等问题。瑞萨电子将无线充电系统技术与成熟微控制器(MCU)结合,推出这一新型无线充电解决方案,将所有关键系统组件集成在一紧凑空间内,使设计更简易。

  RAA457100电源接收器集成电路关键特性:

  (1)在3.22mmx2.77mm封装内集成无线充电所需的全部功能,让更小巧设备成为可能

  电源接收器芯片集成同步整流电路,可将接收线圈输出的交流电源整流成直流电源并且集成充电控制电路可用于锂离子二次电池充电的充电控制。12位模数转换器用于监测充电期间的电池电压和电流,且将数据提供至电源发送器以保持最佳的充电功率水平。此外,其还在单块芯片上集成了锂离子二次电池的保护功能和一个直流/直流稳压器。

  (2)片上DC/DC转换器,具有85%的行业领先效率,可用于电池电源的扩展操作

  诸如可穿戴设备和助听器等低功耗应用一般使用小容量紧凑型电池,因此对效率要求非常高。,集成的直流/直流转换器本身能够实现业内领先的85%高效率,当系统运行在1mA的低负载情况时,其可以延长电池寿命

  (3)集成无线电源发送器所需的全部电路,并支持手机电池的单5V供电电压

  一般而言,非接触式电源发送器需要向电源发送器的天线线圈上施加125kHz交流电,以激励电源接收器的天线线圈并生成交流电。瑞萨电子新开发的电源发送器集成电路负责驱动桥式电路并控制交流电,以获得电源接收器所要求的传输功率值。电源发送器集成电路结合了桥式电路过流保护功能和双线线外部过热保护功能。系统制造商可以通过I2C接口对外置EEPROM数据的读取寄存器进行编程实现对参数值的修改,以满足其应用需要。此外,其还可以通过连接外置MCU,根据自身要求对解决方案进行进一步自定义处理。

  建议使用瑞萨电子的μPA2690T1R功率MOSFET配置桥式电路,当与RAA458100结合时,系统制造商可以选择使用半桥接或全桥接电路配置,以匹配电源发送器的功率水平。

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