《 可轻松实现无线供电功能的13.56MHz无线充电模块》白皮书

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市场发展趋势
近年来,在智能手机和智能手表等众多的应用领域,由于可以取消充电端口并提高防水和防尘性能,无线供电功能的应用越来越广泛。同样,在小型薄型设备领域,对这种非常方便的无线供电功能的需求也日益增长。另一方面,由于天线形状、尺寸和距离等因素会影响到能否实现供电功能以及供电效率,因此需要在电子设备整机上反复进行试制、调整、评估等工作之后才能实现无线供电功能,这使得天线设计和布局设计方面的开发负担非常繁重。因此,业内对于更好地通用于小型设备的无线供电标准和方式的期望值越来越高。
 
无线供电方式及其特点
无线供电方式有很多种,比如磁共振方式(通过使发射端和接收端的谐振器形成磁场共振来传输电力)和电磁感应方式(利用在发射端和接收端之间产生的感应磁场来传输电力)。其中,磁共振方式的13.56MHz无线充电,因其频率高而具有可采用更小型天线的特点。
ROHM推出的无线充电模块为天线和电路板一体型模块,支持13.56MHz,可轻松实现小型薄型设备的无线供电功能。
 
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图1. 无线供电方式比较
 
支持13.56MHz高频段的无线充电模块“BP3621”和“BP3622”简介
此次介绍的“BP3621(发射端模块)”“BP3622(接收端模块)”是业内率先(截至2021年11月ROHM调查数据)使用13.56MHz频段的小型通用无线充电模块,可提供高达200mW的供电量,而且,通过优化天线/布局设计实现了约20mm~30mm见方的小尺寸模块。由于可以显著减少优化供电效率所需的试制、调整、评估等工作的开发工时,因此可以轻松实现小型薄型设备的无线供电功能。此外,内置天线还支持双向数据通信和NFC Forum Type3 Tag通信,这将有助于扩展应用产品的通信功能。
 
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照片1. 无线充电模块“BP3621”和“BP3622”
 
接下来介绍“BP3621”和“BP3622”(以下简称“本产品”)的具体功能及其效果。
 
可大大缩短开发周期,并轻松实现无线供电功能
本产品采用了特有的匹配调整的天线设计技术、以及可以减少布线损耗的电路板布局设计技术。作为集成了这些技术的天线和电路板一体型模块,与天线和控制电路单独配置的情况相比,可以保证馈电特性,因此无需进行天线设计、布局设计和馈电特性评估即可进行产品评估。这将显着缩短开发周期和电路板修改的设计负担,并可轻松实现无线供电功能。
 
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图2. 开发流程对比示意图
 
外壳设计的灵活性更高
本产品采用13.56MHz高频段的磁共振方式,天线尺寸更小,从而能够将天线、匹配电路和无线充电IC集成在小型电路板上,这是现有无线供电标准难以实现的。尺寸方面,发射端模块“BP3621”为35.0mm × 26.0mm × 1.5mm,接收端模块“BP3622”为24.0mm × 17.0mm × 1.5mm。另外,将所需元器件全部安装在正面,通过采用背面全平的电路板结构,使其更易于粘贴在外壳上,从而有助于简化外壳结构并提高设计灵活性。
 
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图3. 产品尺寸和外观
 
通过模块内置的天线,扩展数据通信功能
由于本产品使用与NFC通信标准相同的13.56MHz高频段,因此通过模块内置的天线可以同时支持供电和通信两种功能。可进行双向数据通信(通信速度为212kbps,最多256字节)和NFC Forum Type3 Tag通信,有助于扩展应用产品的数据通信功能,比如传感器数据、设备信息和认证信息的数据安全传输与改写、固件下载、电池输出电压值的发送等。
 
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图4. 无线数据通信示意图
 
无线充电模块采用案例
为了提高便利性并实现防水防尘功能,业内已经在研究在各种应用设备中内置无线充电模块。对于无线连接正在逐渐成为标配的电脑键盘而言,可以说是一个很好的应用案例,因为可以省去更换电池和通过数据线连接充电的麻烦。通过从内置供电模块的平板电脑向内置电力接收模块的移动键盘供电,可以实现无需更换电池、无需充电的完全无线键盘。
 
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图5. 应用案例
 
本产品还适用于要求防水和防尘的设备,例如电子货架标签和GPS跟踪器等应用。电力接收模块的重量仅为0.38g,因此在某些案例中,通过安装无线充电模块,就可以使用更小容量的电池,有助于减轻电子设备的重量。预计本产品在未来将会扩大应用到更多案例中。
 
提供应用指南,为客户设计提供大力支持
ROHM在官网上发布了应用指南,致力于进一步为客户轻松实现无线充电功能并缩短开发周期贡献力量。在应用指南中,提供了作为主要功能的电源功能和通信功能的设置条件、以及使用连接方法等内容。今后,ROHM还计划扩大评估板等产品的阵容,进一步强化支持体系,以促进无线充电模块的普及。
 
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图6. 应用指南
 
结语
未来,ROHM将继续扩充外形小巧、输出功率高的无线充电模块产品阵容,进一步拓展应用领域,扩大适用的目标设备范围,为减少客户的设计开发周期和提高应用产品的便利性做出贡献。
 
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图7. 产品阵容
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SPICE模拟器和SPICE模型

本文将介绍基于Spice的模拟器和SPICE模型的下载地址。还是实际试用一下更容易理解。由于这些软件在通用的PC和OS条件下即可运行,所以请先尝试使用一下。

何谓SPICE

近年来,利用软件进行仿真的技术已经在电子电路的设计和评估中得到广泛应用。这其中也是有诸多原因的。例如,随着运行和信号的高速化,加之电子元器件的小型化和表面贴装趋势等,以往使用面包板的评估方式已经越来越不现实。然而,能够简便且迅速地确认运行情况和特性、能够以几乎最佳的条件进入实际评估、能够减少试制次数等开发成本和周期,是比什么都重要的关键所在。为了应对这种情况并满足这类需求,电子元器件制造商们纷纷提供仿真用的元器件数据,并推出很多被称为“模拟器”的仿真软件。

表面温度测量:热电偶 的固定方法

・将热电偶的测量端(连接端)固定到IC等封装上的方法有两种:①使用聚酰亚胺(PI)胶带等;②使用环氧树脂粘结剂。 ・JEDEC推荐使用环氧树脂粘结剂的方法。 ・除了热电偶测量端的固定方法外,导线的处理也会影响到测量结果,因此应沿着发热源敷设导线。

表面温度测量:热电偶的种类

・在测量已安装的半导体元器件的表面温度时,通常多使用热电偶。 ・在本文中使用一等标准K型热电偶和AWG38导线。

热阻数据:估算TJ时涉及到的θJA和ΨJT -其2-

正如上一篇中介绍过的,由于ΨJT是一个表示相对于器件整体的功耗的、结点与封装顶面中心之间的温度差的热特性参数,因此可以用来推算实机中实机工作状态下的TJ。然而,有一些实际工作条件会影响θJA和ΨJT,并会影响它们在TJ估算过程中的有效性。下面举几个例子来探讨它们各自的特性和有效性。