關於無線充電系統中線圈的設計考量

　　我們都聽說過TI、凌力爾特、IDT、東芝等許許多多公司為無線電力傳輸這個快速增長的市場開發的無線電力發射器/接收器IC。一個經常被忽視但不管怎樣都是無線電力傳輸解決方案中的關鍵元件是發射/接收天線線圈。設計人員可以設計他們自己的線圈，但有兩家非常傑出而且能力最強的公司，他們專門為用戶設計各種各樣這方面的線圈。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/279906.htm

　　在今年的DesignCon 2015展會上，筆者參觀了Würth Elektronik公司展臺，對這家公司在無線充電和發射線圈方面所涉及的設計深度驚嘆不已。

　　首先，我非常看好象無線電力傳輸這種覆蓋範圍廣泛的技術所遵循的標準和互操作性。Würth Elektronik eiSos (無源和機械元器件) 公司是WPC無線充電聯盟和A4WP(也稱為Rezence)無線充電聯盟的成員。為了進一步鞏固和統一標準，A4WP已經同意與PMA無線充電聯盟(PMA)合併。這將有助於這個行業採用一個通用的標準，並有望在不遠的將來WPC也採用同樣的標準。

　　對設計人員來說接下來最重要的是獲得性能良好的演示板。Würth Elektronik eiSos公司有一個5W的設計套件，該套件採用最優化的元件，可以滿足Qi標準。設計人員就是需要類似這樣的工具，以便減輕他們的設計負擔，加快產品上市。Digi-Key在他們的網站上提供這個套件。Mouser公司在他們的網站上也有這個套件出售。

　　

 

　　圖1：Würth 5W套件對於使用Qi標準完善無線電力傳輸發明的設計人員來說很重要。這些演示板使用了TI的IC以及各種充電和發射線圈，用戶可以從中進行選擇。

　　

 

　　圖2：有各種線圈尺寸和形狀可供設計人員設計時選用。表1列出了這個套件中提供的各種尺寸。

　　

 

　　表1，5W演示套件中提供的各種無線電力線圈。

　　無線電力傳輸的原理

　　

 

　　圖3：無線電力傳輸的原理

　　NuCurrent線圈

　　NuCurrent公司有一種無線充電天線技術可以兼容A4WP、Qi和PMA標準。用戶使用該公司的解決方案後無需過多的考慮標準問題，因為這些解決方案對標準問題進行了簡化。通過使用他們的多模解決方案，接收線圈可以與包括Qi、PMA和A4WP在內的各種發射器一起配合工作。事實上，NuCurrent的高效率諧振器已被選擇用於首款商用A4WP認證產品和WPC標準天線實現車載充電(即將手機放在汽車中央扶手上進行充電)。NuCurrent公司還宣布了戰略性合作夥伴和來自Molex的投資，其產品被選擇作為博通和宜普等其它無線充電行業領先公司開發的系統中的參考天線。

　　好吧，如果宜普公司選擇NuCurrent作為合作夥伴，那麼我深信他們肯定有某些特殊的地方。宜普公司開發生產堅固耐用的高速大功率eGaN MOSFET，這些器件適合用作無線充電線圈的大功率驅動器，而且宜普的應用工程人員是一個極具才能的團體。

　　因此，筆者專門對發明印刷線圈技術的這家設計公司進行了調查，並於最近採訪了公司的執行長Jacob Babcock。NuCurrent線圈有何不同?Babcock告訴說，這些線圈具有市場上最高的品質因數。

　　什麼是品質因數Q?

　　WPC對Q的定義是：

　　對於相同體積和形狀但繞組安排不同的線圈來說，其電感L和電阻R的比值保持不變。為了區別不同的線圈結構，將這個比值定義為品質因數Q是有意義的。

　　電感中同一電流感應的電壓隨頻率f以及器件中的視在功率變化而變化。品質因數的一般定義基於的是視在功率與器件中 功率損失之比。根據這個定義，可以推導出一個線圈的品質因數：

　　Q = ωL/R

　　其中ω = 2πf:

　　品質因數Q的取值範圍是0到無窮大，雖然對線圈來說很難獲得遠大於1000的值。對於批量產品來說，可以期待的品質因數大約是100左右。低於10的品質因數就不是很有用了。這些值必須按典型的數量級加以考慮。

　　對於固定的工作頻率來說，品質因數Q主要取決於線圈的形狀和尺寸以及所用的材料。標準線圈技術(比如線繞線圈、PCB線圈)一般都規定有品質因數值。

　　與傳統的無線充電天線相比，NuCurrent器件體積更小，可以延長電池壽命，覆蓋更遠的距離，並具有更低的發熱量，對準的靈活性也更強。

　　WPC和A4WP使用的兩個最常用的天線頻率分別是150kHz和6.78MHz。

　　

 

　　圖4：NuCurrent技術可以用來創建高效靈活的無線充電天線(NuCurrent公司特別提供)

　　在低頻(Qi兼容)下，系統通常工作在大約2cm的較近距離，印刷線圈的好處在於耐用性、靈活性、可擴展性，並且方便集成。

　　在較高頻率(A4WP兼容)下，潛在好處是更遠的電力傳輸距離、更好的方向靈活性和更小的尺寸。這種天線在這裡被稱為「諧振器」，憑藉它們的小型尺寸和低廉價格，它們可以提供可能最好的Q值，因為它們有助於將設計實現到像PCB和柔性電路等標準製造工藝中。

　　線圈技術的兩大突破

　　Babcock告訴說，是兩大根本性突破才使得他的技術得以浮出無線電力傳輸領域水面。他的第一項努力成果是無線充電植入器。

　　一個是固有的「趨膚效應」，另一個是「接近效應」。

　　高頻「趨膚效應」和「接近效應」在Babcock的無線充電植入設計中是很突出的兩個問題。他對如何最大程度地減小這些效應進行了研究，發現如果導線中的電流被分流到多條更小直徑的導線上，可以顯著減小電阻，效率也比其它印刷方法和磁性導線要高得多。從某種程度上，這就像在堅固的、可擴展的印刷基板中放置易受幹擾的、不一致但低電阻的利茲線。

　　效率

　　效率與具體應用有關，但總的來說，NuCurrent公司的電感效率在高頻(1MHz+)時比其它任何種類的電感都要高。它們的Q值在150KHz和6.78MHz時分別提高了20%和60%。

　　NuCurrent這種私有技術的基本前提是減輕了較高頻率時在導線中發生的典型高頻「趨膚效應」。他們的設計提供更多的表面積供電流流動，因此可以幫助設計人員實現更高的效率、更小的尺寸、更好的耐用性和更低的成本。

　　NuCurrent公司的設計工具和私有算法採用多層(ML)導線技術，可以將設計轉換為具有比大多數其它解決方案更低電阻和更高Q值的電感性結構。這些設計支持FR-4或柔性聚醯亞胺上實現不同形狀的多層多匝數(MLMT)導線。

　　NuCurrent結構從單位1到1000表現得更加一致;在惡劣環境中更具魯棒性;在大批量時具有更高的成本效益;無需任何焊接就可以直接集成進PCB或其它基板(最新發展成果是集成到家具內部，比如衣櫃、餐桌等)。

　　

 

　　圖5：NuCurrent專利性技術將頻率和電阻分解開來;可以減輕電感中的高頻效應，進而實現更高的效率/更高Q值的電感。(NuCurrent特別提供)

　　請大家在2015年密切跟蹤這種技術的發展，因為隨著眾多公司找到新的應用和改進這種技術以贏取這個不斷增長的市場中更多的份額，更多的技術成果將展現在大家面前。