一种用于无线电力传输的 MEMS 开关介绍二

为了评估该开关在 WPT 阻抗匹配应用中的性能，Menlo Microsystems 和Solace Power创建了电路和电气环境类似于 Solace 的 Equus 系统。Solace WPT 方法采用获得专利的谐振电容耦合技术，可在固定或可变距离情况下以 13.56 MHz 传输高达 150 W 的射频功率。

它可用于在距发射器约 25 厘米(10 英寸)的距离内为设备供电或充电，并且不会加热能量场中的金属物体。它可以适应发射器和接收器的错位，使其比其他方法更灵活。天线结构可以像一张箔片一样薄，并且可以是保形的，允许它集成在主机产品的外部。

该测试评估了具有 75 W 射频发射功率的可变阻抗匹配网络中的开关。阻抗匹配电路由几个固定电抗元件和两个可变并联电容器支路组成，每个支路由六个并联电容器组成。两个 MM3100 开关用于通过高速切换电路中的电容器进出电路来实现这些可变电容器。匹配网络尝试将变化的无线链路阻抗转换为最佳阻抗 Zo = 50 Ω。转换后的阻抗会加载发射机的电力电子设备，使其越接近 Zo，就能实现最大输出功率。

可传输的功率量与负载匹配网络的最大阻抗之间存在直接关系。发射功率水平和开关的额定电压都对可以匹配的最大阻抗进行了限制。发射功率为 75 W，由于该电路中的 MM3100 的最大电压为 141 Vrms，因此最大负载阻抗为 265 Ω。

一个原型 PCB 与另一个带有微处理器的小板一起设计和制造，该微处理器控制 MM3100 的 SPI(串行外围接口)开关。构建了一组谐振器并将其调谐到 13.56 MHz，每个谐振器由两个电容板、两个串联谐振电感器和巴伦变压器组成。该测试使用了 100、120、140、160、180 和 200 毫米的谐振器间距。

通过将谐振器定位在所需的间距，然后改变可变电容器支路 1 和 2，并在矢量网络分析仪上测量得到的输入阻抗，可以找到每个谐振器位移和相应负载阻抗的最佳阻抗匹配(最低反射系数)直到获得最佳匹配。

在测试的工作范围内验证良好的阻抗匹配后，通过向网络注入 75 W 的射频功率，进行功率测试以评估 MM3100 开关的功率处理能力。由于这些分支上的电压必须低于 MEMS 开关的最大额定电压，因此使用示波器测量两个可变电容器分支上的电压，并将结果与通过建模获得的结果进行比较。对于每个谐振器位移，应用最佳可变电容器组合，并通过测量输入电压和电流来监测输入射频功率。事实证明，所有谐振器分离的实际结果与模拟结果几乎相同。

任何 WPT 系统的一个重要考虑因素是获得最高的端到端效率，原因从监管要求到热管理。因此，还测量了所提出的阻抗匹配解决方案的效率，并与建模结果进行了比较。匹配网络中损耗的主要来源是网络电感器的有效串联电阻 (ESR)。每个电感器的损耗取决于 ESR 和流经电感器的电流。

另一个损耗源是开关导通电阻中消耗的功率，对于 MM3100，该功率约为 0.5 Ω。随着可变电容器支路上的电压增加，通过开关的电流对于每个接通的可变电容器都会增加。由于分支电抗较低，电容较大的分支具有较大的电流。也就是说，MM3100 中的损耗取决于支路电压、支路电容和开通的支路数量。

总之，应用于简单阻抗匹配网络的 MEMS 开关证明了它能够在 100 到 200 mm 的谐振器对之间的距离上转换宽且变化的阻抗范围，这在 Solace Equus 谐振电容耦合 WPT 系统中会遇到的典型情况. MM3100 可提供 75 W 的发射功率水平和 141 Vrms 的电压，因为开关本身可以承受高功率和电压水平。对阻抗匹配精度、设备支路电压和射频效率进行了测量，这些测量结果与模型计算得到的结果一致。在最坏情况下测得的解决方案射频效率超过 95%，在最佳条件下超过 97%。