一种用于无线电力传输的 MEMS 开关介绍一

如果谐振无线电力传输 (WPT) 系统要兑现其为电动汽车和其他大功率应用充电的承诺，首先必须解决一个工程问题。

优化谐振 WPT 系统性能的最大挑战之一是确保始终为发射器电力电子设备提供相对恒定的负载阻抗。例如，当从接收器到发射器的距离发生变化时，或者当信号路径中出现障碍物时，阻抗变化就会发生。

已经开发出一些技术来解决这个问题，包括大的直流/偏置功率要求、复杂的偏置电路和大尺寸。一种新方法在阻抗匹配网络中使用微机电系统 (MEMS) 接触开关，该方法比这些方法具有优势，但没有限制。

有多种方法可以将能量从发射器无线传输到接收器，选择使用哪一种在很大程度上取决于应用的需求。以下是对无线供电的一些不同方法的快速调查，以及对基于 MEMS 的技术的讨论。

远距离传输通常通过使用辐射电磁传输以电方式实现，或者通过使用激光以光学方式实现。虽然这些技术可以提供高效率，但它们需要复杂的接收器跟踪以及发射器和接收器之间的畅通无阻的路径。

非谐振 WPT 系统同样提供高传输效率，但仅当发射器和接收器固定且它们之间的间隙很小时。这种系统的一个典型例子是电动牙刷充电器，它实现了感应充电。

谐振 WPT 系统也可实现高无线传输效率，但工作距离范围广且可变。这实现了在非谐振系统中不可用的一定程度的位置自由度，而没有接收器位置跟踪的复杂性。

顾名思义，谐振 WPT 系统利用谐振的物理现象将电磁能量从发射谐振器传输到一个或多个接收谐振器。所有谐振器都经过调谐以在系统的工作频率下谐振。该技术使用非辐射能量传输方法，使用近场将功率传输到接收谐振器。

谐振 WPT 有两种常见的实现方式，即谐振电感耦合和谐振电容耦合。谐振电感耦合使用线圈主要通过磁场传输能量，而谐振电容耦合使用电极主要通过电场传输能量。

为了最大化谐振 WPT 系统的位置自由度，需要动态阻抗匹配。对于在高频 (HF) 频段运行的 WPT 解决方案，一些用于应对可变阻抗控制挑战的选项包括 PIN 二极管、变容二极管和簧片继电器。然而，这些技术具有不同的缺点，从复杂的偏置要求到低射频 (RF) 功率处理。

在这里，我们描述了一种用于 WPT 应用的 MEMS 高功率六通道开关，它提供高通道密度、超低寄生效应和极高的功率处理能力，避免了妨碍其他 WPT 解决方案的一些缺点。 MM3100 六通道开关可处理 200V，开关时间不到 10 µs，额定开关操作次数超过 30 亿次，采用 6×6-mm LGA 封装。

加工能力和冶金技术的进步使得能够制造出将金属触点的导通状态导电性与稳定的机械性能相结合的新器件，有效地消除了阻碍 MEMS 开关进入的长期存在的大规模生产性和长期可靠性问题市场。Menlo Microsystems将这些设备称为数字微动开关 (DMS);我们在这里讨论的特定 DMS 是MM3100。

这种 MEMS 开关的驱动机制类似于机电继电器，因为它打开和关闭以进行接触，但在微观层面上。与机电继电器相比，这些设备的开关速度快 1,000 倍(小于 10 µs)，而且尺寸只是其一小部分。

它具有极低的插入损耗(导通电阻可配置为从 0.4Ω 到小于 0.1Ω)，即使非常小，也可以处理数百瓦的射频功率和数百伏的电压。该器件还使用静电开关控制，具有非常低的直流电源要求，并且在稳态保持操作中需要最小的偏置且无电流消耗。