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瑞薩電子開發醫療設備無線充電解決方案

鉅大LARGE  |  點擊量:332次  |  2020年02月06日  

摘要
瑞薩電子開發醫療設備無線充電解決方案-本文首先介紹了無線充電技術的優缺點,其次對無線充電各種原理及方案進行了比較,最后介紹了瑞薩電子開發醫療設備無線充電解決方案。
無線充電技術優缺點優點:

安全:無通電接點設計,可以避免觸電的危險。


耐用:電力傳送元件無外露,因此不會被空氣中的水份、氧氣等侵蝕;無接點的存在,也因此不會有在連接與分離時的機械磨損及跳火等做成的損耗。


在使醫療植入裝置較為安全:在植入嵌入式醫療裝置上,可以在不損害身體組織的情況下對植入在人體內的醫療裝置進行充電而不需要有電線穿過皮膚及其他自體組織,免去感染的風險。


方便:充電時無需以電線連接,只要放到充電器附近即可。技術上,一個充電器可以對多個用電裝置進行進電,在有多個用電裝置的情況下可以省去多個充電器、不用占用多個電源插座、沒有多條電線互相纏繞的麻煩。


缺點:

效率低:能量存送效率不及真實接觸。


充電速度慢:由于效率低,在同樣的輸入功率下,充電速度較慢。


成本高:在充電器需要有推動線圈的電子線路,而在用電裝置需要有電力換換的電子裝置,兩者也需要有線圈,因此成本比直接接觸為高。


不能在移動時充電:這個問題只在移動裝置上發生,例如電須刨在充電時就不能移離充電器,若電須刨內的電池剛完全用盡,這時電須刨就不能使用,反而傳統以電線連接的設計反而可以以電線連接上充電器的情況下繼續使用。


兼容性低:不同品牌的無線充電裝置因為無統一標準,因此不能通換使用。近年,業界組織Qi開始推行標準化,展望將會有望達至標準統一。


無線充電各種原理及方案比較

無線充電技術,即Wirelesschargingtechnology,是指具有電池的裝置不需要借助于電導線,利用電磁波感應原理或者其他相關的交流感應技術,在發送端和接收端用相應的設備來發送和接收產生感應的交流信號來進行充電的一項技術,源于無線電力輸送技術。


無線充電技術的研究,源于19世紀30年代,邁克爾-法拉第發現電磁感應現象,即磁通量變化產生感應電動勢,從而在電線中產生電流。但最早的無線電力傳輸思想是尼古拉-特斯拉(NikolaTesla)在19世紀90年代提出的無線電力傳輸構想和無線輸電試驗,因而有人稱之為無線電能傳輸之父。


從具體的技術原理及解決方案來說,目前無線充電技術主要有電磁感應式、磁共振式、無線電波式、電場耦合式四種基本方式。這幾種技術分別適用于近程、中短程與遠程電力傳送。


各種無線充電方式都有各自的特點,具體比較如表1所示。



表1無線充電各種原理方案的比較


當前最成熟、最普遍的是電磁感應式。其根本原理是利用電磁感應原理,類似于變壓器,在發送端和接收端各有一個線圈,初級線圈上通一定頻率的交流電,由于電磁感應在次級線圈中產生一定的電流,從而將能量從傳輸端轉移到接收端,如圖1所示。pWC聯盟發起者powermat公司用電磁感應式推出過一款WiCC充電卡,與SD卡差不多大,內部嵌有線圈和電極等組件,插入現有智能手機電池旁邊即可使用。



圖1電磁感應式無線充電原理


磁共振式也稱為近場諧振式,由能量發送裝置,和能量接收裝置組成,當兩個裝置調整到相同頻率,或者說在一個特定的頻率上共振,它們就可以交換彼此的能量,其原理與聲音的共振原理相同,排列在磁場中的相同振動頻率的線圈,可從一個向另一個供電,如圖2。技術難點是小型化和高效率化,被認為是將來最有希望廣泛應用于電動汽車無線充電的一種方式。



圖2磁共振式無線充電示意圖


無線電波式,基本原理類似于早期使用的礦石收音機,主要有微波發射裝置和微波接收裝置組成。典型的是20世紀60年代布朗(WilliamC.Brown)的微波輸電系統,其示意圖如圖3。整個傳輸系統包括微波源、發射天線、接收天線3部分;微波源內有磁控管,能控制源在2.45GHz頻段輸出一定的功率;發射天線是64個縫隙的天線陣,接收天線擁有25%的收集和轉換效率。日本龍谷大學的移動式無線充電系統,也是通過頻率為2.45GHz的微波送電,點亮了行駛中的模型警車的警燈。



圖3無線電波式電能傳輸


電場耦合式利用通過沿垂直方向耦合的兩組非對稱偶極子而產生的感應電場來傳輸電能,其基本原理是通過電場將電能從發送端轉移到接收端。這種方式主要是村田制作所采用,具有抗水平錯位能力較強的特點。


瑞薩電子開發醫療設備無線充電解決方案

全球領先的半導體解決方案供應商瑞薩電子株式會社,已經宣布推出一款非接觸式無線充電解決方案,用于要求具有防水、防塵性能的低功耗應用,如助聽器及其他可穿戴設備。


新型無線充電解決方案由一個電源接收器集成電路(IC)(RAA457100)和一個電源發送器集成電路(RAA458100)組成,每個集成電路都在單塊芯片上集成了無線充電所需的全部功能。瑞薩電子還將提供一個評估套件,用于為制造商的無線充電設計提供幫助。


無線充電技術免除了給電池充電或連接電源線的麻煩,這一便利性受到諸如智能手機和可穿戴設備在內的一系列應用的廣泛歡迎。無線充電技術尤其受到諸如助聽器等小型低功耗且需防水防塵應用的關注。然而現存無線充電技術并不適合緊湊型鋰離子二次蓄電池的充電系統,其難點包括:以現有標準規定的天線尺寸難以實現小巧外形;由更大充電電流帶來的散熱困難等問題。瑞薩電子將無線充電系統技術與成熟微控制器(MCU)結合,推出這一新型無線充電解決方案,將所有關鍵系統組件集成在一緊湊空間內,使設計更簡易。


RAA457100電源接收器集成電路關鍵特性:


(1)在3.22mmx2.77mm封裝內集成無線充電所需的全部功能,讓更小巧設備成為可能


電源接收器芯片集成同步整流電路,可將接收線圈輸出的交流電源整流成直流電源并且集成充電控制電路可用于鋰離子二次電池充電的充電控制。12位模數轉換器用于監測充電期間的電池電壓和電流,且將數據提供至電源發送器以保持最佳的充電功率水平。此外,其還在單塊芯片上集成了鋰離子二次電池的保護功能和一個直流/直流穩壓器。


(2)片上DC/DC轉換器,具有85%的行業領先效率,可用于電池電源的擴展操作


諸如可穿戴設備和助聽器等低功耗應用一般使用小容量緊湊型電池,因此對效率要求非常高。,集成的直流/直流轉換器本身能夠實現業內領先的85%高效率,當系統運行在1mA的低負載情況時,其可以延長電池壽命


(3)集成無線電源發送器所需的全部電路,并支持手機電池的單5V供電電壓


一般而言,非接觸式電源發送器需要向電源發送器的天線線圈上施加125kHz交流電,以激勵電源接收器的天線線圈并生成交流電。瑞薩電子新開發的電源發送器集成電路負責驅動橋式電路并控制交流電,以獲得電源接收器所要求的傳輸功率值。電源發送器集成電路結合了橋式電路過流保護功能和雙線線外部過熱保護功能。系統制造商可以通過I2C接口對外置EEpROM數據的讀取寄存器進行編程實現對參數值的修改,以滿足其應用需要。此外,其還可以通過連接外置MCU,根據自身要求對解決方案進行進一步自定義處理。


建議使用瑞薩電子的pA2690T1R功率MOSFET配置橋式電路,當與RAA458100結合時,系統制造商可以選擇使用半橋接或全橋接電路配置,以匹配電源發送器的功率水平。


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