為無(wú)線電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)線圈

圖 6 整流器輸出與負(fù)載的關(guān)系

圖 7 所示流程圖描述了規(guī)定一個(gè)新的 Rx 線圈的建議方法。這種設(shè)計(jì)流程限制了屏蔽材料、線材規(guī)范和匝數(shù)。接下來(lái)，我們將逐一詳細(xì)討論。

圖 7 Rx 線圈設(shè)計(jì)方法流程圖

屏蔽材料

屏蔽材料有兩個(gè)主要功能：(1)為磁通量提供一條低阻抗通路，這樣能夠影響周圍金屬物體的能量線便極其少;(2)使用更少的匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高電感的線圈，這樣便不會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的電阻(匝數(shù)越多，電阻越高)。

我們可以使用能夠吸收大量磁通量的厚屏蔽材料(它們擁有高通量飽和點(diǎn))，以防止 Rx 線圈后面的材料發(fā)熱。當(dāng)遇到有校準(zhǔn)磁體的 Tx 或者 Rx 時(shí)，相比細(xì)薄的屏蔽材料，厚屏蔽材料的效率不易受到影響而降低。(這種影響的詳情，請(qǐng)參見(jiàn)本文后面的“Rx 線圈電感測(cè)量”小節(jié))各大廠商(例如：威世(Vishay)、TDK、松下、EE、Elytone和Mingstar)提供的典型材料，均可以幫助最小化效率下降。請(qǐng)注意，高導(dǎo)磁鐵氧體材料(例如：鐵粉等)，并非始終都好于有隙分布材料。盡管鐵氧體材料擁有高導(dǎo)磁性，但是在屏蔽材料厚度減小時(shí)其通量飽和點(diǎn)較低。我們必須謹(jǐn)慎考慮這一因素。

Rx 線圈線材規(guī)范

權(quán)衡成本和性能，選擇相應(yīng)的 Rx 線圈線材規(guī)范。大直徑線材或者雙股線材(兩條平行線)擁有高效率，但價(jià)格更高，并且會(huì)帶來(lái)粗Rx線圈設(shè)計(jì)。例如，PCB 線圈可能在整體成本方面更加便宜，但相比雙股線，它會(huì)產(chǎn)生更高的等效串聯(lián)電阻。

匝數(shù)

一旦選定了線材和屏蔽材料，匝數(shù)便確定Rx線圈電感的大小。線圈電感和耦合決定 Rx 整流器輸出的電壓增益，以及Rx的總有效功率。圖 6 顯示了該電壓增益目標(biāo)。

確定電感目標(biāo)的一般方法步驟如下：

1、 Tx 的 A1 型線圈應(yīng)用作主線圈特性的基礎(chǔ)(例如，面積為 1500mm2，電感為 24-µH，初級(jí)電壓為 19V)。

2、 當(dāng)所用屏蔽材料的導(dǎo)磁性遠(yuǎn)大于空氣(>20)時(shí)，線圈面積便可以很好地表示耦合系數(shù)。請(qǐng)注意，這種情況僅適用于單層或者雙層線匝的平面線圈。特殊線圈結(jié)構(gòu)不適用該原則。為了確保合理的耦合和高效率，一個(gè) 5W 系統(tǒng)時(shí)，Rx線圈的線圈面積約為 A1 線圈的 70% 到 80%。這樣可以確保大多數(shù)合理設(shè)計(jì)擁有約 50% 的耦合系數(shù)，并且 Tx 和 Rx 線圈之間的距離 dz 達(dá)到 WPC 規(guī)定的 5mm。

3、 根據(jù)平均預(yù)計(jì)整流器電壓確定理想電壓增益—例如：圖 6 所示曲線圖中的 6V。本例中，電壓增益為 ~0.32 (6 V/19 V)。

5-V/5-W 輸出電壓系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)表明，耦合系數(shù)為 0.5 左右時(shí)，約10 µH 的二次電感便足以產(chǎn)生要求的目標(biāo)電壓。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們需要考慮兩種關(guān)系：

因此，如果耦合系數(shù)從 0.5 變?yōu)?0.4，相同功率輸出的電感會(huì)增加至先前電感的1.6 倍。這就意味著新電感為 ~16 µH。如方程式 5b 所示，線圈電感與匝數(shù)與比例關(guān)系。

表 1 列出了專為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的某些常見(jiàn)線圈的二次電感和耦合系數(shù)。

表 1 典型線圈示例表

請(qǐng)注意，這些經(jīng)驗(yàn)法則適用于一般平面線圈，主要用作設(shè)計(jì)入門(mén)。實(shí)際設(shè)計(jì)可利用仿真工具獲得最理想的優(yōu)化，如圖 7 中流程圖所示。

Rx 線圈電感測(cè)量

Rx線圈電感是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它表明了 Rx AC/DC 功率級(jí)的電氣響應(yīng)(例如：電壓增益和輸出阻抗等)。要想保持一致的響應(yīng)，不同系統(tǒng)方案中電感的變化必須最小。由于 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的通用性，Rx 線圈可以放置在不同類型的 Tx上，而這可能會(huì)影響 Rx 線圈電感——從而影響電氣響應(yīng)。

根據(jù) WPC 規(guī)范的 4.2.2.1 小節(jié)內(nèi)容，可使用圖 8 所示測(cè)試配置結(jié)構(gòu)，對(duì) Rx線圈電感 L′S 進(jìn)行測(cè)量。隔離墊片和 Tx 屏蔽材料為模擬 Rx 線圈周圍的 Tx 組件提供了參考。在這種測(cè)試配置結(jié)構(gòu)中，Tx 屏蔽為 TDK 公司的 50 × 50 × 1-mm 鐵氧體材料(PC44)。利用非金屬隔離墊片，使間隙 dZ 達(dá)到 3.4 mm。然后，將 Rx 線圈放置在該墊片上，使用 1-V RMS 和 100 kHz 測(cè)量 L′S。另外，在沒(méi)有 Tx 屏蔽的情況下，可對(duì)無(wú)間隙 Rx 線圈電感 Ls 進(jìn)行測(cè)量。

圖 8 Rx 線圈電感(L′S)測(cè)量測(cè)試配置圖

WPC 規(guī)范并未詳細(xì)說(shuō)明常見(jiàn)系統(tǒng)方案對(duì) L′S 和 Ls 測(cè)量的影響。對(duì)這些參數(shù)最為常見(jiàn)的影響是在 Rx 線圈背后有一顆電池。由于封裝材料和電池的構(gòu)造問(wèn)題，當(dāng)在其背后放置電池時(shí)，Rx線圈電感通常會(huì)降低。除電池以外，Tx 線圈結(jié)構(gòu)中磁體的存在，也會(huì)對(duì)電感產(chǎn)生影響。(參見(jiàn) WPC 規(guī)范1的 3.2.1.1.4 小節(jié)內(nèi)容)該磁體相當(dāng)于一個(gè) Rx 線圈屏蔽材料的壓力源，其中，屏蔽材料的磁性飽和點(diǎn)是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。如果磁體存在時(shí)Rx線圈屏蔽材料飽和，則線圈電感急劇下降。由于 Qi 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)有磁體和無(wú)磁體 Tx 線圈組件都進(jìn)行了規(guī)定，因此設(shè)計(jì)人員需要知道兩種情況下電感的變化，因此電感的任何變化都會(huì)改變 Rx 的諧振微調(diào)。請(qǐng)注意，圖 8 所示測(cè)試配置結(jié)構(gòu)并沒(méi)有包括磁體。當(dāng)包括某個(gè)磁體時(shí)，其磁通量密度應(yīng)介于 75 和 150 mT 之間，而其通徑應(yīng)為最大值 15.5 mm。這就意味著，電力傳輸時(shí) Tx 線圈的典型 30-mT 磁場(chǎng)，約為該磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度的 20%。