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-N1995 2016 年 5 月 17 日
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
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
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
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
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
工作原理 6
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
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 400 350 300 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 30 450 ml MRE, 加热至 30 250 200 150 100 50 0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 加热时间 ( 分钟 ) 8
产品设计与使用 9
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 2.4 2.5 GHZ 未授权 ISM 频段 10
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
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
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
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 性能 @ 26V: 性能 @ 26V: 性能 @ 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
计算放大器产品预算 Source Pi Pad Predriver AMP Pi Pad Driver AMP Final Stage AMP Coupler Antenna 5.0 26.0 26.0 I O C -6.0 db +30.0 db -3.0 db +17.5 db +14.5 db -0.10 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 204.66 W 204.7 W 200.0 W 200.0 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 +52.9 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. n @ Pavg 40% Est. n @ Pavg 50% Est. n @ Pavg 64% Total PA Efficiency @ PA Output 59.5% Pdc @ Pavg 2 W Pdc @ Pavg 15 W Pdc @ 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
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 2.4 2.5 GHZ 未授权 ISM 频段 射频信号源提供 200W 功率负载检测 2.4 2.5 GHZ 未授权 ISM 频段 16
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 -10-12 -14 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 -16-18 -20 2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 频率 (MHz) 17
加热结果 18
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
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
射频加热 @ FTF 21
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
射频烹饪 @ 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
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