一種用于無線電力傳輸?shù)?MEMS 開關(guān)介紹二

為了評估該開關(guān)在 WPT 阻抗匹配應(yīng)用中的性能，Menlo Microsystems 和Solace Power創(chuàng)建了電路和電氣環(huán)境類似于 Solace 的 Equus 系統(tǒng)。Solace WPT 方法采用獲得專利的諧振電容耦合技術(shù)，可在固定或可變距離情況下以 13.56 MHz 傳輸高達(dá) 150 W 的射頻功率。

它可用于在距發(fā)射器約 25 厘米(10 英寸)的距離內(nèi)為設(shè)備供電或充電，并且不會加熱能量場中的金屬物體。它可以適應(yīng)發(fā)射器和接收器的錯位，使其比其他方法更靈活。天線結(jié)構(gòu)可以像一張箔片一樣薄，并且可以是保形的，允許它集成在主機產(chǎn)品的外部。

該測試評估了具有 75 W 射頻發(fā)射功率的可變阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)。阻抗匹配電路由幾個固定電抗元件和兩個可變并聯(lián)電容器支路組成，每個支路由六個并聯(lián)電容器組成。兩個 MM3100 開關(guān)用于通過高速切換電路中的電容器進(jìn)出電路來實現(xiàn)這些可變電容器。匹配網(wǎng)絡(luò)嘗試將變化的無線鏈路阻抗轉(zhuǎn)換為最佳阻抗 Zo = 50 Ω。轉(zhuǎn)換后的阻抗會加載發(fā)射機的電力電子設(shè)備，使其越接近 Zo，就能實現(xiàn)最大輸出功率。

可傳輸?shù)墓β柿颗c負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)的最大阻抗之間存在直接關(guān)系。發(fā)射功率水平和開關(guān)的額定電壓都對可以匹配的最大阻抗進(jìn)行了限制。發(fā)射功率為 75 W，由于該電路中的 MM3100 的最大電壓為 141 Vrms，因此最大負(fù)載阻抗為 265 Ω。

一個原型 PCB 與另一個帶有微處理器的小板一起設(shè)計和制造，該微處理器控制 MM3100 的 SPI(串行外圍接口)開關(guān)。構(gòu)建了一組諧振器并將其調(diào)諧到 13.56 MHz，每個諧振器由兩個電容板、兩個串聯(lián)諧振電感器和巴倫變壓器組成。該測試使用了 100、120、140、160、180 和 200 毫米的諧振器間距。

通過將諧振器定位在所需的間距，然后改變可變電容器支路 1 和 2，并在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀上測量得到的輸入阻抗，可以找到每個諧振器位移和相應(yīng)負(fù)載阻抗的最佳阻抗匹配(最低反射系數(shù))直到獲得最佳匹配。

在測試的工作范圍內(nèi)驗證良好的阻抗匹配后，通過向網(wǎng)絡(luò)注入 75 W 的射頻功率，進(jìn)行功率測試以評估 MM3100 開關(guān)的功率處理能力。由于這些分支上的電壓必須低于 MEMS 開關(guān)的最大額定電壓，因此使用示波器測量兩個可變電容器分支上的電壓，并將結(jié)果與通過建模獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。對于每個諧振器位移，應(yīng)用最佳可變電容器組合，并通過測量輸入電壓和電流來監(jiān)測輸入射頻功率。事實證明，所有諧振器分離的實際結(jié)果與模擬結(jié)果幾乎相同。

任何 WPT 系統(tǒng)的一個重要考慮因素是獲得最高的端到端效率，原因從監(jiān)管要求到熱管理。因此，還測量了所提出的阻抗匹配解決方案的效率，并與建模結(jié)果進(jìn)行了比較。匹配網(wǎng)絡(luò)中損耗的主要來源是網(wǎng)絡(luò)電感器的有效串聯(lián)電阻 (ESR)。每個電感器的損耗取決于 ESR 和流經(jīng)電感器的電流。

另一個損耗源是開關(guān)導(dǎo)通電阻中消耗的功率，對于 MM3100，該功率約為 0.5 Ω。隨著可變電容器支路上的電壓增加，通過開關(guān)的電流對于每個接通的可變電容器都會增加。由于分支電抗較低，電容較大的分支具有較大的電流。也就是說，MM3100 中的損耗取決于支路電壓、支路電容和開通的支路數(shù)量。

總之，應(yīng)用于簡單阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的 MEMS 開關(guān)證明了它能夠在 100 到 200 mm 的諧振器對之間的距離上轉(zhuǎn)換寬且變化的阻抗范圍，這在 Solace Equus 諧振電容耦合 WPT 系統(tǒng)中會遇到的典型情況. MM3100 可提供 75 W 的發(fā)射功率水平和 141 Vrms 的電壓，因為開關(guān)本身可以承受高功率和電壓水平。對阻抗匹配精度、設(shè)備支路電壓和射頻效率進(jìn)行了測量，這些測量結(jié)果與模型計算得到的結(jié)果一致。在最壞情況下測得的解決方案射頻效率超過 95%，在最佳條件下超過 97%。