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便携医疗设备的无线充电设计

2012-12-10 10:05:12 来源：电子系统设计

摘要：想象一下，你是一家大城市急救室的医疗技师。你在各个病房之间穿梭，使用便携式诊断设备协助医护人员做诊断。工作压力大，病人源源不断，你根本没时间去找插座，把你的设备插上去。你大概愿意把设备放到一个地方，让它自动充电。这样你就能到下一个病人或伤者那里，他们需要动作迅速和高效的医护人员。对你和病人来说幸运的是，无线充电已经是一种现成的技术。

关键字： 无线充电， 功率发射器， 便携式设备

标准

行业标准规范正在引领无线充电的发展。无线充电联盟(WPC)的标准也被称为Qi(发音“奇”)。这个规范又分为系统的三个核心部分：功率发射器、功率接收器以及这两个器件之间的通信协议。这个标准的主要特点是(见图1)：

图1：无线充电系统方块图(来源：无线充电联盟网站)。

一种从底座到便携式设备的非接触式功率传输方法，这种方法的物理基础是线圈之间的近场电磁感应。

使用一个次级(或接收)线圈传输大约5W功率。

工作频率范围为110Hz至 205kHz。

在底座表面摆放便携式设备的方式有两种：一种方式是在底座表面的指定位置摆放便携式设备，底座通过该表面的一个或几个固定的位置提供能量;自由定位允许便携式设备随意摆放在充电站表面，从该表面的任何地方提供能量。

可以达到非常低的待机功耗，这取决于具体的实现方法。

能够灵活地把系统集成到便携式设备。

一个简单的通信协议就能够使便携式设备完全控制能量传输过程。

能量传输过程分为4个阶段：

选择阶段：功率发射器监视充电接口，探测待充电的设备是否摆放到位。如果没有探测到设备，功率发射器将不停地查验(ping)功率接收器。如果在给定的时间里没有探测到要充电的设备，功率发射器就会进入待机模式。

ping阶段：类似于声纳，功率发射器发出一个数字ping信号，探测可充电设备。如果探测到设备，功率发射器就把功率信号保持在ping信号的电平，然后进入识别和配置阶段。如果没有探测到设备，功率发射器就返回到选择阶段。

识别和配置阶段：功率发射器与功率接收器协商，确定给接口上需要充电的设备提供多大的功率。如果设备从接口上移开，功率发射器就返回到选择阶段。

功率传输阶段：功率发射器向功率接收器提供能量，根据功率接收器的反馈情况调整所需要的电流。在功率传输过程中出现异常情况时，安全功能会适时关闭功率传输，并返回到选择阶段。

这个标准已经得到电子行业各领域内超过90家公司的支持。

技术

无线充电使用近场电磁感应原理，将能量从充电底座(衬垫)传送到便携设备。在不断变化的距离上，充电衬垫中的发射器线圈(Tx)向嵌入在手机等便携式设备中的接收器线圈(Rx)传送能量。充电衬垫里的发射器/初级线圈在上电时产生一个类似于传统变压器的电磁场，感应电流流过便携式设备上的次级线圈(充电底座有一个功率转换电路，将电能转换为电磁场。在接收器端，功率接收单元将电磁场重新转换为电能，对设备的电池充电)。发射器和接收器相互通信，控制充电过程。

Vishay Dale Electronics公司的IWAS系列Qi无线充电接收线圈/防护罩，是第一批可用于符合WPC规范的器件的商用无线充电线圈。IWAS系列的效率达到70%或更高，为接收线圈提供高磁导率防护罩，阻断充电磁通，防止它损坏敏感器件或电池。IWAS系列无线充电接收线圈/防护罩的性能不会受到永磁体的不利影响。

IWAS线圈的优点

IWAS接收器线圈采用专利的IHLP技术制造。线圈采用一个安装在复合材料芯/防护罩上的磁性导线线圈。这使IWAS接收器线圈比竞争技术多了一些明显的优点：

无线充电接收线圈的高磁导率防护罩;

防护罩材料特性：磁导率至24;电阻率在100V下大于10MΩ;铁芯损耗在500高斯、250kHz下为4000mW/cc;在400高斯下磁饱和为50%;

高饱和铁粉不受永磁的影响;

坚固耐用的结构;

不需要充电接口连接器，而连接器在清洗/消毒的时候会腐蚀或泄漏;

一个充电区可放多个设备，不用考虑制造商;

尺寸和形状可以定制，以适合任何符合WPC规范的设备;

符合RoHS指令2002/95/EC。

安装

IWAS型接收线圈使用一种非常薄的、用压缩铁粉做成的薄片制造(图2)。工程师专门设计了一种特殊的扁平磁体导线线圈，以降低铜损并增大磁通，然后把线圈安装到薄片上。从线圈上剥出引线，镀锌，以便连到客户的电路上。然后把完整的IWAS接收线圈与便携式医疗电子设备的背面结合为一个整体，连接到通信/充电电路上。这样，设备就可以安放在任何符合Qi规范的充电底座上。