医疗设备电源创新中的无线供电技术

无线电能传输具有诸多优势，尤其在医疗技术领域。但行业标准兼容方案与专有方案之间有何区别？

医疗创新中的无线供电

将无线能量传输用于为电子设备供电的愿望可追溯至19世纪，这要归功于尼古拉·特斯拉等远见者。尽管当时已奠定基础（图1），但近年来这一主题的科学重要性显著上升，相关科学出版物和专利申请数量的大幅增长便是明证。

图1

无线能量传输在植入式设备以及需定期消毒的其他医疗设备方面具有诸多优势。例如，其结构成本较低。

其原因一方面在于移动性需求的增长以及由此带来的移动设备需求上升，另一方面则源于技术进步。如今，几乎所有电源和充电器都配备了微控制器，而过去由于元件成本高昂，这是无法实现的。如今，高效、占用空间极小的无线供电系统已成为现实。

无线传输的功率范围从能量采集产生的几微瓦到数千瓦不等。能量通常通过感应、电容或辐射方式传输（图2）。

本文聚焦于功率不超过100瓦的感应式传输系统。

图2：无线电能传输的不同类型

在感应式电能传输中，能量通过一对松耦合线圈传输。穿过两个线圈的共同磁通量Φ₂₁ 取决于线圈之间的耦合程度（图3）。耦合程度由耦合系数 k 表示，其定义为发射线圈（L_T）和接收线圈（L_R）的自感以及互感 M 的函数：k = M / √(L_T × L_R)

图3：采用松耦合线圈对的感应式电能传输 [2]

该线圈对可由图4中虚线框内的等效电路图表示，其中 r_T 和 r_R 分别表示发射线圈和接收线圈的绕组损耗。根据自感、发射器与接收器之间的耦合程度以及负载电阻，补偿网络 A_T 和 A_R 被设计为使能量传输效率最大化，并便于调节所需传输的功率。传输效率取决于耦合系数以及谐振电路的品质因数。

图4：感应式传输系统的等效电路图

在开发无线电能传输系统时，需综合考虑以下因素：最大传输功率、接收器与发射器之间的最大垂直与横向偏移容忍度（定位容差）、以及通常极为有限的安装空间。这些因素影响拓扑结构的选择和技术实现。由于实现方式多种多样，即使两个系统都用于传输相同功率，通常也无法实现通用互操作性。为实现跨厂商的互操作性，近年来成立了三个工业联盟，彼此竞争无线电能传输领域的主导权，并在定位容差与最优传输效率方面各有侧重。

目前，无线电能联盟（WPC）已有超过170家公司加入。该联盟于2010年发布了首个无线电能传输规范 [1]。该规范定义的发射器和接收器可在几毫米距离内传输高达5瓦的功率，并以Qi标志识别。此外，新的《第二卷：中等功率规范》中定义了支持高达15瓦功率传输的系统。如今，首批符合Qi标准的部件已广泛应用于智能手机。随着车载充电站的普及，WPC希望其规范能成为行业标准。

由宝洁（Procter & Gamble）与Powermat Technologies发起成立的电力联盟（PMA）则追求类似目标。在其Power 2.0规范中，PMA定义了电能传输与通信接口。为给予设备制造商最大的设计自由度，仅规定了发射端的谐振电路。

第三家无线电能技术产业联盟是无线电力联盟（A4WP），由三星（Samsung）与高通（Qualcomm）发起，现有成员超过60家。该联盟致力于实现更远距离的电能传输，同时提高定位容差。其主要面向消费市场，如耳机、智能手机、笔记本电脑等产品的无线充电。由于其聚焦于松耦合系统以及数厘米距离的电能传输，该技术对医疗技术领域也具有吸引力，例如用于植入式设备的供电。

在某些情况下，互操作性并非必要，甚至被刻意避免。此时，专有方案，如RRC power solutions的20瓦模块，则具有优势。例如，在Qi系统中，功率与数据通过同一对线圈传输，而专有方案（图5右）则通过额外的一对辅助线圈将数据传输与功率传输解耦。

图5：Qi标准5瓦模块（左）与专有20瓦模块（右）对比，后者通过额外辅助线圈实现更快速的双向数据传输。

将辅助线圈集成于电路板中，无需增加元件成本，而功率传输线圈尺寸保持不变。此外，铁氧体磁芯的罐形结构可有效减少漏磁。结合新型调制方式，系统可实现双向高速数据传输，带宽远高于Qi标准。由于无线电能传输系统中的数据传输也用于功率控制的反馈路径，更高的数据速率可提升功率调节的动态响应速度，从而更快应对负载变化。此外，双向接口还可在有限范围内传输特定应用数据，例如固件更新、系统参数读取或其他数据传输。

与传统有线供电相比，无线电能传输在医疗技术领域具有诸多优势。其应用包括为无导电接触的外部设备供电，以及构建可抵御机械应力、更易清洁的密封式设备。在医疗领域，设备与器具常接触强力清洁剂与消毒剂，通过消除外部插头与触点，可提升设备可靠性。

由于医疗设备购置成本高，折旧周期长，消除如插头等易磨损部件可降低运营成本，使设备在整个生命周期中更少出现故障，维修需求也更低。同时，可制造防水、防尘产品，适用于恶劣环境。而传统触点若要达到同等防护等级，往往需更高工程设计投入，导致生产成本显著增加。

植入式设备也可通过无线电能传输供电，这对患者而言远比有线方式舒适。例如，人工心脏等设备若采用有线供电，导线穿出体外的位置易引发感染。对于配有可充电电池的植入式设备，通过无线方式充电可避免复杂且高风险的手术更换电池[3]。

无线电能传输为医疗技术产品开发带来新的视角。若无需跨厂商互操作性，专有方案相较于标准化接口可实现更多功能，不仅可实现创新设备，还可实现植入式设备的无线供电或充电，从而极大简化医护人员与患者的操作流程。