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丝锻栾
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1 便携式射频加热应用设计挑战和解决方案 GEOFFREY TUCKER 射频系统与解决方案 FTF-HMB-N 年 5 月 17 日

2 议程恩智浦 RF 功率产品组合介绍 Wayv 便携式烹饪电器我们正在尝试解决什么问题? 射频加热原理设计考虑因素选择设计挑战概述电气系统图加热腔功率放大器设备选型与设计加热算法烹饪结果 1 1

3 日常生活中的射频功率蜂窝基础设施固态加热工业与医疗保健其他通信 5G 蜂窝标准 700 MHz 至 5 GHz; 0.1 W 至 500 W 通过网络处理基带处理完善射频烹饪射频加热射频烘干等离子生成 50 MHz 至 4 GHz; 0.1 W 至 1.5 kw 磁共振成像等离子蚀刻 CO2 激光器粒子加速器 13 MHz 至 2.9 GHz; 0.1 W 至 1.8 kw 军事 / 国防雷达 / 航空电子广播电视与无线电个人移动无线电 50 MHz 至 5 GHz; 0.1 W 至 1kW 适合各类应用的射频功率产品 : LDMOS GaN GaAs 分立式器件高度集成的射频 IC 2

4 WAYV 便携式加热器随时随地加热食物固态烹饪电器安全干净快速地加热食物手持式轻便可通过电源充电或在车中充电操作简便 30 分钟运行时间用户使用安全且环保 : 不会产生有毒的一氧化碳烟雾无需化石燃料无火灾风险 3

5 WAYV 便携式加热器用户加热熟食等食物户外运动爱好者加热咖啡茶或汤露营炉具或明火的替代物无有毒的一氧化碳烟雾军事人员加热 MRE( 食物包装 ) 加热咖啡茶或汤静音运行大幅减少为士兵供应食物的后勤难题执行秘密任务时不会产生环境光在途人员离家在外时加热零食和餐饭加热咖啡茶或汤加热婴儿食物在办公室中加热食物和饮料通过汽车和电源充电 4

6 将设想变为现实概念使用案例与目标应用性能要求实现形式和适用性实现半导体解决方案射频设计专业知识软件实现实现功能 5

7 工作原理 6

8 射频加热原理微波加热通过负载吸收电磁波分子旋转和碰撞会产生热量与辐射加热或接触加热的区别 ( 热量从内到外 ) 典型消费类微波炉 2.45 GHz 典型工作频率提供 1000W 射频功率 50 多年来磁控管一直用作射频源低廉成熟的技术需要高电压才能工作偶极旋转效应快速效率高易于使用! 7

加热时间随提供的射频功率变化 400 350 300 目标加热时间 200 ml Baby Food

9 输送功率 ( 瓦 ) 加热需要多大能量? 加热计算食物属性 : 重量含水量电容率和电导率射频加热源 : 工作频率输送到负载的功率持续时间效率 : 功率转换 (AC 或 DC 到 DC,DC 到 RF), 腔效率用户偏好 : 目标温度升高! 加热时间随提供的射频功率变化目标加热时间 200 ml Baby Food 450 ml MRE 一些小负载加热示例 200 ml 婴儿食物, 加热至 ml MRE, 加热至加热时间 ( 分钟 ) 8

10 产品设计与使用 9

11 WAYV 便携式固态微波用户界面与控制分秒计时器启动 / 停止烹饪周期 LCD 背光灯开关电池电量安全监控与错误报告坚固外壳加热腔 900 ml 总容量 100 ml 至 500 ml 负载大小可去除可清洗的腔内衬集成式天线单元电源 8 单元可拆卸电池组 16 单元可拆卸电池组 < 选配 > 直流壁式电源 USB 充电器射频功率放大器电源负载检测监控和自我保护 GHZ 未授权 ISM 频段 10

12 设计挑战尺寸与重量材料机械目标必须轻便且易于携带最大限度减小因废热造成的腔温上升输出功率在周期间快速冷却制造考虑因素 DC 至 RF 效率 Wayv 炉废热介电性能电气目标最大限度缩短加热周期时间最大限度减少废热防止 PA 损坏制造考虑因素控制与监控烹饪结果必须考虑设计元素依存性 11

13 高级电气框图安全和监控腔锁存温度负载负载用户界面加热源触觉键盘 LCD 显示屏系统控制器 (MCU) 射频源功率放大器功率检测控制与监控发射 LCD 背光 DC/3.3 VDC 转换器 DC/28 VDC 限幅器 DC/5 VDC 转换器电池电池 3.6V 电池单元电源管理电源 12

14 腔加热射频能量分布射频能量分布受腔容量工作频率散热器设计材料选择和食物负载等因素影响可在 CST 或 Comsol 等 3D EM 工具中建模设计考虑因素目标是以最少的浪费或损失向负载输送最多的射频能量在均匀加热和高效加热之间取得平衡权衡放大器保护损失 ( 废热 ) 尺寸和复杂性 13

15 放大器设备选型信号源 Kinetis MK40Z MCU 前置驱动级 MMA25231B 驱动级 MHT1008N 末级 MHE1003N 主要特点 26V: 26V: 26V: Cortex-M0+ 可达 48 MHz P1 db > 1W P1 db > 12W P1 db > 200W 160 KB 闪存 20KB RAM 30 db 增益 17 db 增益 15 db 增益 -20 至 +5 dbm 输出功率低电流消耗效率 > 55% 效率 > 65% 13.5 ma Tx (0dBm) 电流目标 <2uA 待机电流低成本超模压塑料封装低成本超模压塑料封装低成本超模压塑料封装全功能高灵活性外设 14

16 计算放大器产品预算 Source Pi Pad Predriver AMP Pi Pad Driver AMP Final Stage AMP Coupler Antenna I O C -6.0 db db -3.0 db db db db OUT IN OUT IN OUT IN OUT IN OUT IN OUT IN OUT OUT 0.1dBm 0.1dBm -5.9dBm -5.9dBm 24.1dBm 24.1dBm 21.1dBm 21.1dBm 38.6dBm 38.6dBm 53.1dBm 53.1dBm 53.0dBm 53.0dBm 0.00 W 0.0 W 0.00 W 0.00 W 0.26 W 0.3 W 0.13 W 0.13 W 7.26 W 7.26 W W W W W At PA Output Source Psat +4.0 db Predriver Psat 42.0dBm Driver P3dB 41.0dBm Final Stage P3dB 53.5dBm Average Power 24.1dBm Pavg 38.6dBm Pavg 53.1dBm Total Line Up Gain db Current Draw 0.4 A Current at Pavg 0.9 A Current at Pavg 13.3 A Total High Voltage Drain Current 14.2 A Est. Pavg 40% Est. Pavg 50% Est. Pavg 64% Total PA PA Output 59.5% Pavg 2 W Pavg 15 W Pavg 320 W Total DC Power Consumption 336 W Dissapated Power 1 W Dissapated Power 7 W Dissapated Power 115 W Total Power Dissapation 124 W 15

17 功率放大器设计功率放大器功率晶体管射频匹配电路功率晶体管偏置网络高性能射频 PCB 材料腔绝缘材料功率检测器正向功率监控反射功率监控 LCD 背光灯开关电池电量安全监控与错误报告电源管理分秒计时器启动 / 停止烹饪周期 LCD 背光灯开关电池电量安全监控与错误报告射频发射提供 200W 功率负载检测 GHZ 未授权 ISM 频段射频信号源提供 200W 功率负载检测 GHZ 未授权 ISM 频段 16

18 反射功率 (db) 加热算法系统就绪检查 PA 可运行, 通信正常负载匹配质量 -8 负载检测存在负载, 无异物腔扫描确认最佳匹配, 匹配质量检查负载加热功率上升和完整周期频率 (MHz) 17

19 加热结果 18

0 总时间 : 120 秒电气性能频率 : 2430 MHz PA 输出功率 : 197 W 输送功率 : 168 W PA 效率 : 57%

20 加热结果 397 mg MRE 西南部鸡肉 255 mg MRE 三份 Cheese Alfredo 烹饪性能启动温度 : 24.5 结束温度 : 48.2 温升 : 23.7 总时间 : 240 秒烹饪性能启动温度 : 24.0 结束温度 : 40.0 温升 : 16.0 总时间 : 120 秒电气性能频率 : 2430 MHz PA 输出功率 : 197 W 输送功率 : 168 W PA 效率 : 57% 腔效率 : 85.5% 电气性能频率 : 2480 MHz PA 输出功率 : 193 W 输送功率 : 169 W PA 效率 : 58% 腔效率 : 82.3% 19

21 小结便携式射频加热电器的概念已确立已使用恩智浦射频功率晶体管研发出固态功率放大器经过优化设计, 能够快速安全且高效地加热少量食物随时随地加热食物现已成为现实 20

22 FTF 21

23 恩智浦固态射频烹饪解决方案数字安全互联 RF 元件开发工具固态模块参考设计分立式器件 NFC MCU BLE LCD 驱动器传感器电源管理 SMPS 控制器广泛的数字和混合信号产品组合最高性能产品组合 27MHz 2.4GHz 简化电器开发易于使用的烹饪电器模块智能厨房创新电器设计具有最低消费成本和最高易用性的最高性能解决方案 22

24 FTF 敬请参加我们的其他会议 : FTF-HMB-N1994 确定固态 RF 烹饪电器中的最佳烹饪腔配置 FTF-HMB-N1995 午餐分享会 : 便携式 RF 加热应用的设计挑战 FTF-HMB-N1996 高性能固态 RF 烹饪的设计考虑因素欢迎观看我们在技术实验室中的演示位于智能生活和智能城市之间欢迎访问我们的网站 : 23

26 版权声明恩智浦恩智浦徽标恩智浦智慧生活, 安全连结 CoolFlux EMBRACE GREENCHIP HITAG I2C BUS ICODE JCOP LIFE VIBES MIFARE MIFARE Classic MIFARE DESFire MIFARE Plus MIFARE FleX MANTIS MIFARE ULTRALIGHT MIFARE4MOBILE MIGLO NTAG ROADLINK SMARTLX SMARTMX STARPLUG TOPFET TrenchMOS UCODE 飞思卡尔飞思卡尔徽标 AltiVec C 5 CodeTEST CodeWarrior ColdFire ColdFire+ C Ware 高能效解决方案徽标 Kinetis Layerscape MagniV mobilegt PEG PowerQUICC Processor Expert QorIQ QorIQ Qonverge Ready Play SafeAssure SafeAssure 徽标 StarCore Symphony VortiQa Vybrid Airfast BeeKit BeeStack CoreNet Flexis MXC Platform in a Package QUICC Engine SMARTMOS Tower TurboLink 和 UMEMS 是 NXP B.V. 的商标所有其他产品或服务名称均为其各自所有者的财产 ARM AMBA ARM Powered Artisan Cortex Jazelle Keil SecurCore Thumb TrustZone 和 μvision 是 ARM Limited( 或其子公司 ) 在欧盟和 / 或其他地区的注册商标 ARM7 ARM9 ARM11 big.little CoreLink CoreSight DesignStart Mali mbed NEON POP Sensinode Socrates ULINK 和 Versatile 是 ARM Limited( 或其子公司 ) 在欧盟和 / 或其他地区的商标保留所有权利 Oracle 和 Java 是 Oracle 和 / 或其关联公司的注册商标 Power Architecture 和 Power.org 文字标记 Power 和 Power.org 徽标及相关标记是 Power.org 的授权商标和服务标记 NXP B.V. 25

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