強化線圈耦合效率　無線充電設(shè)備效能倍增

隨著無線充電應(yīng)用日益普及，消費者對無線充電產(chǎn)品的充電效率要求也愈來愈高，因此設(shè)計人員須采用可靠且高效能的無線充電晶片，并改良線圈設(shè)計，提高線圈耦合效率，才能進一步加快充電速度，同時兼顧產(chǎn)品安全。

無線充電技術(shù)并非新應(yīng)用，早在2008年以前就已經(jīng)有大量的產(chǎn)品使用類似的功能，例如電動牙刷、刮胡刀、滑鼠與PHS手機等應(yīng)用。不過，由于充電效能及安全 性等問題，當(dāng)時一直無法有效推廣。時至今日，在電力電子控制晶片改良及標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟帶領(lǐng)下，無線充電系統(tǒng)無論是高功率、高頻帶與異物偵測等問題，皆已獲得更好 的效能、安全性及通用性。

眼下無線充電應(yīng)用的瓶頸，主要落在發(fā)送器(Tx)與接收器(Rx)間的損失，而線圈間的適配性及磁性材料特性的提升，更扮演著舉足輕重的角色。本文將羅列影響線圈傳遞損失的因子及其控制方式，希望有助于工程師在設(shè)計時參考。

精算距離與諧振頻率　線圈損耗大幅降低

在現(xiàn)有的無線充電功能模組中(圖1)，工程師如果簡單的切分為Tx、發(fā)射端線圈及Rx與接收端線圈，并將其功率損失定義為Wt、Wc與Wr，則總損失為Wtotal=Wt×Wc×Wr，如此一來發(fā)射端線圈及接收端線圈之間的傳遞損失則為總損失之乘數(shù)。

圖1　無線充電功能模組

在線圈廠內(nèi)部實驗的控制下，當(dāng)所有參數(shù)完全相同時，線圈距離確實是效率最重要的因素之一，但是并非愈近愈好。理論上，線圈距離愈遠(yuǎn)，充電的效率愈差，主要是因為距離愈遠(yuǎn)，磁通密度會下降，接收端線圈能感應(yīng)到的磁通亦隨之下降。

基于此一理論，我們可推測線圈距離愈近，效率就愈佳。然而，從線圈廠的實驗中可觀察到，接收端線圈近到某個距離點后，效率不升反降，這個現(xiàn)象其實是歸因于諧 振頻率偏移所造成。因為距離的關(guān)系，使得Rx端鐵素體(Ferrite)接近Tx線圈時，會引起Tx線圈感值上升的現(xiàn)象。這個現(xiàn)象導(dǎo)致諧振頻率偏移，進而 造成充電效率會反轉(zhuǎn)下降，如果將距離及充電效率畫成曲線，實務(wù)上的情況會接近圖2。

圖2　距離與效率間的關(guān)系

基于線圈與效率之間的現(xiàn)象，工程師在設(shè)計終端產(chǎn)品時，如何確保不同材質(zhì)Rx Ferrite耦合所產(chǎn)生的諧振頻率偏移，耦合電容的容值應(yīng)該要如何匹配，會是一個惱人的困擾。

當(dāng) 工程師進一步研究諧振頻率時，會發(fā)現(xiàn)線圈的圈數(shù)愈高，諧振頻率分離的現(xiàn)象愈早發(fā)生。從法拉第定律(公式1)推論，可能是由于較多的線圈切割來自Rx Ferrite所改變的磁力線，進而產(chǎn)生較多的感應(yīng)勢所造成的現(xiàn)象。如此看來，在實務(wù)的線圈設(shè)計上如何使線圈圈數(shù)降低，將會直接影響線圈的無線充電距離。



線圈面積與形狀至關(guān)重要
在實務(wù)上的無線充電應(yīng)用產(chǎn)品中，多數(shù)會將Rx設(shè)計在強調(diào)輕薄短小的手持式設(shè)備上。然而，經(jīng)由紐曼公式(公式2)可得知，兩個線圈間的互感量和線圈的面積成正比，所以提高線圈的面積，可有效提高互感的磁通量，進而提升電感式技術(shù)的效能。



所以，在維持其他條件的前提下，如何在終端產(chǎn)品中，置入最大面積的Rx線圈將會是所有工程師的考驗，而對線圈供應(yīng)商的直接挑戰(zhàn)則是當(dāng)客戶設(shè)計的線圈為了追求最大面積時，外型并非傳統(tǒng)的方形或圓形時，如何進行有效的量產(chǎn)。

然而，在線圈廠的研究中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)除面積外的變數(shù)--形狀。在早期的無線充電產(chǎn)品開發(fā)研究中，開發(fā)人員很早就發(fā)現(xiàn)Tx與Rx的形狀如果一致，效率會達(dá)到最 高，但是也同時發(fā)現(xiàn)一個致命的缺點，即對于位移的耐受度很差，這對于強調(diào)使用者經(jīng)驗的品牌客戶來說會是很大的困擾。另外，相同面積的線圈組，方形和圓形的 效果從理論上看來應(yīng)該是相同，然而實驗的結(jié)果卻存在些微差異?；谶@個差異，若進一步討論形狀的特性，可發(fā)現(xiàn)方形線圈的角落處可能造成磁力線分布不均的問 題，這在設(shè)計上是值得注意的現(xiàn)象。

直至近期的研究，因為經(jīng)驗的累積，現(xiàn)今線圈廠才逐步掌握形狀和效率間的關(guān)系，但如果再把頻率的因素考量進來，尚無法有效歸納，這部分的研究則期待產(chǎn)業(yè)界持續(xù)投入研發(fā)。

影響無線充電效率　線圈相對角度成新變數(shù)

在討論線圈間的角度前，我們要先了解磁感應(yīng)和磁共振在技術(shù)本質(zhì)上的差異。當(dāng)前市場上的兩大陣營中無線充電聯(lián)盟(WPC)與電力事業(yè)聯(lián)盟(PMA)使用的是 磁感應(yīng)技術(shù)，這個技術(shù)由于使用的能量載體是由磁通變化而產(chǎn)生的電動勢變化，所以距離必然受到發(fā)射端線圈的尺寸限制，再加上聯(lián)盟內(nèi)基于通用性的考量，發(fā)射端 線圈尺寸會受到控制，也因此距離無法藉由發(fā)射端線圈放大而提升。在這個先天條件的限制下，磁感應(yīng)技術(shù)的線圈設(shè)計，以平行放置為主。

反觀A4WP陣營中使用的是磁共振技術(shù)，簡單的來說，主要是用漸逝場(Evanescent Tail)做為能量載體，所以Rx只要在共振腔內(nèi)接收到微量符合共振頻率的電磁波，就可以利用共振現(xiàn)象來放大使用，所以這個技術(shù)的Rx線圈在設(shè)計上有相當(dāng)大的空間。

開發(fā)人員在線圈廠的實驗中發(fā)現(xiàn)到，不同的線圈相對角度會得到不同的K值，相同的線圈相對角度在不同的距離也會得到不同的K值，但變化量較小，唯一可以確定的是，接收端垂直于發(fā)射端，幾乎是收不到。

成本與效能難以兼得　隔離材料挑戰(zhàn)仍待突破

線圈除用來接收能量外，還有另一個重要的工作，即把磁通隔絕避免影響緊貼在線圈后的設(shè)備之電路正常運作，也因此線圈后的隔離材料，是目前線圈組件上的另一個核心技術(shù)，也是考量產(chǎn)品安全性的重要零件，目前在市場上可見的產(chǎn)品主要有燒結(jié)式及疊合式兩種類型(表1)。

首先，疊合式的產(chǎn)品受到制程的必然因素，在產(chǎn)品的u 值上很難超過200這個天險，而且u 也相對難以控制，所以在圈數(shù)上的劣勢非常明顯，不過相對于燒結(jié)式的高成本，疊合式的隔離材料還是有一定的客戶群。

反觀燒結(jié)式，目前有干式與濕式兩種生產(chǎn)方式，干式制程受限于燒結(jié)變形及剛度不足，所以在薄型化的過程受到限制；而濕式制程則因為調(diào)漿的過程必需的填加物，使得產(chǎn)品在u 值上雖比疊合式高，但是也有其限制。

目前在線圈的開發(fā)實務(wù)上還有許多非理想效應(yīng)，如電流的集膚效應(yīng)、線圈間的互感效應(yīng)、近接效應(yīng)、磁渦流損耗、銅損耗等，這些實務(wù)上線圈的變異都會劇烈影響電子 電路上的設(shè)計考量，需要EE-RD、IC-FAE、Coil-FAE三者緊密配合，才能在產(chǎn)品開發(fā)過程中減少不必要的錯誤，而帶來高效的產(chǎn)品。