一種用于無線電力傳輸?shù)?MEMS 開關(guān)介紹一

如果諧振無線電力傳輸 (WPT) 系統(tǒng)要兌現(xiàn)其為電動汽車和其他大功率應用充電的承諾，首先必須解決一個工程問題。

優(yōu)化諧振 WPT 系統(tǒng)性能的最大挑戰(zhàn)之一是確保始終為發(fā)射器電力電子設備提供相對恒定的負載阻抗。例如，當從接收器到發(fā)射器的距離發(fā)生變化時，或者當信號路徑中出現(xiàn)障礙物時，阻抗變化就會發(fā)生。

已經(jīng)開發(fā)出一些技術(shù)來解決這個問題，包括大的直流/偏置功率要求、復雜的偏置電路和大尺寸。一種新方法在阻抗匹配網(wǎng)絡中使用微機電系統(tǒng) (MEMS) 接觸開關(guān)，該方法比這些方法具有優(yōu)勢，但沒有限制。

有多種方法可以將能量從發(fā)射器無線傳輸?shù)浇邮掌?，選擇使用哪一種在很大程度上取決于應用的需求。以下是對無線供電的一些不同方法的快速調(diào)查，以及對基于 MEMS 的技術(shù)的討論。

遠距離傳輸通常通過使用輻射電磁傳輸以電方式實現(xiàn)，或者通過使用激光以光學方式實現(xiàn)。雖然這些技術(shù)可以提供高效率，但它們需要復雜的接收器跟蹤以及發(fā)射器和接收器之間的暢通無阻的路徑。

非諧振 WPT 系統(tǒng)同樣提供高傳輸效率，但僅當發(fā)射器和接收器固定且它們之間的間隙很小時。這種系統(tǒng)的一個典型例子是電動牙刷充電器，它實現(xiàn)了感應充電。

諧振 WPT 系統(tǒng)也可實現(xiàn)高無線傳輸效率，但工作距離范圍廣且可變。這實現(xiàn)了在非諧振系統(tǒng)中不可用的一定程度的位置自由度，而沒有接收器位置跟蹤的復雜性。

顧名思義，諧振 WPT 系統(tǒng)利用諧振的物理現(xiàn)象將電磁能量從發(fā)射諧振器傳輸?shù)揭粋€或多個接收諧振器。所有諧振器都經(jīng)過調(diào)諧以在系統(tǒng)的工作頻率下諧振。該技術(shù)使用非輻射能量傳輸方法，使用近場將功率傳輸?shù)浇邮罩C振器。

諧振 WPT 有兩種常見的實現(xiàn)方式，即諧振電感耦合和諧振電容耦合。諧振電感耦合使用線圈主要通過磁場傳輸能量，而諧振電容耦合使用電極主要通過電場傳輸能量。

為了最大化諧振 WPT 系統(tǒng)的位置自由度，需要動態(tài)阻抗匹配。對于在高頻 (HF) 頻段運行的 WPT 解決方案，一些用于應對可變阻抗控制挑戰(zhàn)的選項包括 PIN 二極管、變?nèi)荻O管和簧片繼電器。然而，這些技術(shù)具有不同的缺點，從復雜的偏置要求到低射頻 (RF) 功率處理。

在這里，我們描述了一種用于 WPT 應用的 MEMS 高功率六通道開關(guān)，它提供高通道密度、超低寄生效應和極高的功率處理能力，避免了妨礙其他 WPT 解決方案的一些缺點。 MM3100 六通道開關(guān)可處理 200V，開關(guān)時間不到 10 μs，額定開關(guān)操作次數(shù)超過 30 億次，采用 6×6-mm LGA 封裝。

加工能力和冶金技術(shù)的進步使得能夠制造出將金屬觸點的導通狀態(tài)導電性與穩(wěn)定的機械性能相結(jié)合的新器件，有效地消除了阻礙 MEMS 開關(guān)進入的長期存在的大規(guī)模生產(chǎn)性和長期可靠性問題市場。Menlo Microsystems將這些設備稱為數(shù)字微動開關(guān) (DMS);我們在這里討論的特定 DMS 是MM3100。

這種 MEMS 開關(guān)的驅(qū)動機制類似于機電繼電器，因為它打開和關(guān)閉以進行接觸，但在微觀層面上。與機電繼電器相比，這些設備的開關(guān)速度快 1,000 倍(小于 10 μs)，而且尺寸只是其一小部分。

它具有極低的插入損耗(導通電阻可配置為從 0.4Ω 到小于 0.1Ω)，即使非常小，也可以處理數(shù)百瓦的射頻功率和數(shù)百伏的電壓。該器件還使用靜電開關(guān)控制，具有非常低的直流電源要求，并且在穩(wěn)態(tài)保持操作中需要最小的偏置且無電流消耗。