瑞薩電子開發(fā)醫(yī)療設(shè)備無線充電解決方案

　　無線充電技術(shù)優(yōu)缺點

　　優(yōu)點：

　　安全：無通電接點設(shè)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(yī)療植入裝置較為安全：在植入嵌入式醫(yī)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(nèi)的醫(yī)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(fēng)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(shù)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(fā)生，例如電須刨在充電時就不能移離充電器，若電須刨內(nèi)的電池剛完全用盡，這時電須刨就不能使用，反而傳統(tǒng)以電線連接的設(shè)計反而可以以電線連接上充電器的情況下繼續(xù)使用。

　　兼容性低：不同品牌的無線充電裝置因為無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此不能通換使用。近年，業(yè)界組織 Qi 開始推行標(biāo)準(zhǔn)化，展望將會有望達至標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

　　無線充電各種原理及方案比較

　　無線充電技術(shù)，即Wireless charging technology，是指具有電池的裝置不需要借助于電導(dǎo)線，利用電磁波感應(yīng)原理或者其他相關(guān)的交流感應(yīng)技術(shù)，在發(fā)送端和接收端用相應(yīng)的設(shè)備來發(fā)送和接收產(chǎn)生感應(yīng)的交流信號來進行充電的一項技術(shù)，源于無線電力輸送技術(shù)。

　　無線充電技術(shù)的研究，源于19世紀(jì)30年代，邁克爾-法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，即磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在電線中產(chǎn)生電流。但最早的無線電力傳輸思想是尼古拉-特斯拉（Nikola Tesla） 在19世紀(jì)90年代提出的無線電力傳輸構(gòu)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(shù)原理及解決方案來說，目前無線充電技術(shù)主要有電磁感應(yīng)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(shù)分別適用于近程、中短程與遠(yuǎn)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(dāng)前最成熟、最普遍的是電磁感應(yīng)式。其根本原理是利用電磁感應(yīng)原理，類似于變壓器，在發(fā)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(yīng)在次級線圈中產(chǎn)生一定的電流，從而將能量從傳輸端轉(zhuǎn)移到接收端，如圖1所示。PWC聯(lián)盟發(fā)起者Powermat公司用電磁感應(yīng)式推出過一款WiCC充電卡，與SD卡差不多大，內(nèi)部嵌有線圈和電極等組件，插入現(xiàn)有智能手機電池旁邊即可使用。

　　圖1 電磁感應(yīng)式無線充電原理

　　磁共振式也稱為近場諧振式，由能量發(fā)送裝置，和能量接收裝置組成，當(dāng)兩個裝置調(diào)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(shù)難點是小型化和高效率化，被認(rèn)為是將來最有希望廣泛應(yīng)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(fā)射裝置和微波接收裝置組成。典型的是20世紀(jì)60年代布朗（William C. Brown）的微波輸電系統(tǒng)，其示意圖如圖3。整個傳輸系統(tǒng)包括微波源、發(fā)射天線、接收天線3部分;微波源內(nèi)有磁控管，能控制源在2. 45 GHz頻段輸出一定的功率;發(fā)射天線是64個縫隙的天線陣，接收天線擁有25%的收集和轉(zhuǎn)換效率。日本龍谷大學(xué)的移動式無線充電系統(tǒng)，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(chǎn)生的感應(yīng)電場來傳輸電能，其基本原理是通過電場將電能從發(fā)送端轉(zhuǎn)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(fā)醫(yī)療設(shè)備無線充電解決方案

　　全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子株式會社，已經(jīng)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(yīng)用，如助聽器及其他可穿戴設(shè)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(fā)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(shè)計提供幫助。

　　無線充電技術(shù)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(shè)備在內(nèi)的一系列應(yīng)用的廣泛歡迎。無線充電技術(shù)尤其受到諸如助聽器等小型低功耗且需防水防塵應(yīng)用的關(guān)注。然而現(xiàn)存無線充電技術(shù)并不適合緊湊型鋰離子二次蓄電池的充電系統(tǒng)，其難點包括：以現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的天線尺寸難以實現(xiàn)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(tǒng)技術(shù)與成熟微控制器（MCU）結(jié)合，推出這一新型無線充電解決方案，將所有關(guān)鍵系統(tǒng)組件集成在一緊湊空間內(nèi)，使設(shè)計更簡易。

　　RAA457100電源接收器集成電路關(guān)鍵特性：

　?。?）在3.22mmx2.77mm封裝內(nèi)集成無線充電所需的全部功能，讓更小巧設(shè)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(shù)轉(zhuǎn)換器用于監(jiān)測充電期間的電池電壓和電流，且將數(shù)據(jù)提供至電源發(fā)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(wěn)壓器。

　?。?）片上DC/DC轉(zhuǎn)換器，具有85%的行業(yè)領(lǐng)先效率，可用于電池電源的擴展操作

　　諸如可穿戴設(shè)備和助聽器等低功耗應(yīng)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(zhuǎn)換器本身能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的85%高效率，當(dāng)系統(tǒng)運行在1mA的低負(fù)載情況時，其可以延長電池壽命

　　（3）集成無線電源發(fā)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(fā)送器需要向電源發(fā)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(fā)的電源發(fā)送器集成電路負(fù)責(zé)驅(qū)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(fā)送器集成電路結(jié)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(tǒng)制造商可以通過I2C接口對外置EEPROM數(shù)據(jù)的讀取寄存器進行編程實現(xiàn)對參數(shù)值的修改，以滿足其應(yīng)用需要。此外，其還可以通過連接外置MCU，根據(jù)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μPA2690T1R功率MOSFET配置橋式電路，當(dāng)與RAA458100結(jié)合時，系統(tǒng)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(fā)送器的功率水平。