基于通量場定向材料優(yōu)化無線充電的設(shè)計

業(yè)界對高效電池再充電解決方案的要求絲毫不減，這也促使設(shè)計人員快速開發(fā)出最新最優(yōu)的解決方案。無線充電將成為移動設(shè)備領(lǐng)域中的新興發(fā)展趨勢。就近期而言，它將影響到蜂窩電話、筆記本電腦和平板電腦等設(shè)備。長期目標還包括電動汽車電池。

無線充電通常意味著，無需使用電線就能將能量直接從某個電源輸送到電池進行充電。有多種不同的方法實現(xiàn)這個任務，涵蓋范圍從電磁感應耦合(EMIC)和電磁諧振耦合到激光能量傳輸系統(tǒng)等。EMIC是目前最具成本效益并又很容易實現(xiàn)的方法。電磁諧振耦合在本質(zhì)上與之相似，但在實現(xiàn)上卻較為復雜。

簡單地講，EMIC就是將信號從A點(初級線圈)發(fā)送到B點(拾波或接收線圈)。流經(jīng)初級線圈的電流將產(chǎn)生電磁通量場(信號)并從線圈輻射出來。接收線圈位于初級線圈的作用范圍內(nèi)，因此，初級線圈的通量場將與接收線圈相交。該通量場將在接收線圈中感應出電流，該電能就可用來給移動系統(tǒng)的電池進行無線充電。

EMIC無線能量

EMIC無線能量(EMIC-WP)傳輸或充電系統(tǒng)的基本設(shè)計概念非常簡單。設(shè)計中較困難的部分是如何達到關(guān)鍵的設(shè)計目標，即讓消費者接受它作為可行的移動設(shè)備充電選擇方案。

移動EMIC-WP系統(tǒng)應能提供美觀的設(shè)計(即輕巧纖薄，并能夠滿足消費者對移動設(shè)備和相關(guān)EMIC-WP站的期望值)，并且還要具有重量輕、可靠、高效能量傳輸和安全等特性。如果設(shè)計滿足所有這些因素，那么EMIC-WP將順理成章地成為各種類型移動設(shè)備事實上的充電解決方案。

設(shè)計EMIC-WP系統(tǒng)時有許多考慮因素，例如：控制和電力電子器件，線圈設(shè)計，初次級線圈之間的間距考慮，以及設(shè)計工作頻率等。設(shè)計人員還必須知曉多種不足之處。

例如：能量傳輸效率一直是消費者所關(guān)心的頭等大事。如果能量傳輸效率顯著低于直接連線的充電器系統(tǒng)，那么消費者就不太可能看好系統(tǒng)的附加成本。另外，如果EMIC-WP接收側(cè)的尺寸變化很大的話(某些時候，如果充電站很大的話)，設(shè)備將被認為具有較差的移動性。這樣，EMIC-WP就很難成為通用模式的供電解決方案。最后，如果EMIC-WP解決方案出現(xiàn)一些負面效應(例如：干擾其它元器件的電子功能，或在工作期間加熱附近元器件等)，那么消費者就有理由懷疑其安全性得不到保障。

為了解決這些問題，設(shè)計人員需要確保在他們的EMIC-WP系統(tǒng)中采用通量場定向材料(FFDM)。與線圈產(chǎn)生的通量場發(fā)生交互的FFDM，可以確保EMIC-WP系統(tǒng)產(chǎn)生的通量場達到關(guān)鍵的設(shè)計目標。

FFDM磁導率和損耗

需要根據(jù)EMIC-WP系統(tǒng)性能目標對FFDM做出正確選擇。FFDM的性能可以通過在所選EMIC-WP工作頻率點與所產(chǎn)生的通量場發(fā)生交互的能力來表征。每種FFDM都將根據(jù)隨工作頻率發(fā)生變化的下面兩種特性與特定通量場發(fā)生交互。

FFDM磁導率：磁導率衡量的是通量場能夠被耦合到FFDM以改變通量場方向的程度(即改進與線圈的通量場交互，減少渦流損耗，提供通量場屏蔽)。在工作頻率點具有較高磁導率的FFDM更為可取，原因有多個方面，例如：能夠滿足目標應用的厚度要求，減輕重量，或?qū)崿F(xiàn)更小的XY空間尺寸。

FFDM損耗：損耗衡量的是在FFDM交互期間通量場強度的減少程度。當通量場穿過FFDM時，F(xiàn)FDM可能以熱損耗的方式耗散掉一定百分比的通量場。在EMIC-WP系統(tǒng)的工作頻率點損耗應盡可能小。材料中的損耗(即轉(zhuǎn)換成熱量的能量)取決于頻率，它一般與FFDM中的渦流產(chǎn)生、磁滯損耗和鐵磁諧振交互有關(guān)。

通常與FFDM相關(guān)的另一種材料是電磁吸收材料。這種材料一般在比EMIC-WP系統(tǒng)更高的應用頻率點具有相對較低的磁導率和較高的損耗。吸收材料能夠減少電磁干擾(EMI)信號的通量場強度，并可用來在感興趣的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)最大可能的衰減。

例如：電磁吸收材料經(jīng)常用來減少來自IC器件或有EMI噪聲的電源的EMI噪聲。在采用許多天線或較高頻率處理器的移動系統(tǒng)中，吸收材料能夠最大限度地減少可能由天線(Wi-Fi、4G天線)或數(shù)據(jù)線(data flex)收集到的EMI。EMI還可能降低天線或數(shù)據(jù)線的信噪比性能，而導致更高的數(shù)據(jù)誤碼率或較短的讀取距離，或者影響設(shè)備的EMI驗收測試結(jié)果。

FFDM的類型

FFDM有三種基本形式：燒結(jié)鐵素體(SF)薄片，復合磁性填充物(CMF)薄片(人造橡膠+磁性填充物)和磁性箔片(MF)。

SF薄片的成分和在某個頻率范圍內(nèi)的磁導率及損耗特性有所變化(圖1)。典型的SF材料包括鎳鋅鐵尖晶石和錳鋅鐵尖晶石。SF類型的選擇依據(jù)應用頻率、電源設(shè)計效率、磁導率、損耗、最小厚度、成本和易用性等。這些產(chǎn)品一般又硬又脆，需要保護膜用于保護、裸片切割和方便處理。

　　圖1：對典型燒結(jié)鐵素體薄片材料(3M公司的EM-600)的磁導率和損耗與頻率關(guān)系的測試結(jié)果

CMF薄片由填充了磁性填充物的人造橡膠組成。CMF型薄片具有很好的撓性和適中的價格。這些薄片一般具有比性能更好的SF薄片更低的磁導率，對某些EMIC-WP系統(tǒng)來說是很有用的選擇。

MF具有最高的磁導潛力，因而能夠提高EMIC-WP性能。這些產(chǎn)品可以實現(xiàn)很薄的解決方案，并且能夠堆疊成多層解決方案，進而實現(xiàn)最優(yōu)的EMIC-WP解決方案。

每種FFDM的磁導率和損耗特性都將隨給定頻率而改變。在EMIC-WP設(shè)計中，這些材料可以單獨使用，也可以互相一起使用，從而實現(xiàn)能夠滿足主要設(shè)計特性的解決方案。設(shè)計時可以把FFDM放在箔片底下及沿著箔片設(shè)計的邊緣放置。

當在典型產(chǎn)品中使用時，這些材料中每種材料的屬性都有很大的變化。從這些材料在EMIC-WP系統(tǒng)中的性能和在EMIC-WP系統(tǒng)工作頻率點的最佳磁導率/損耗比的比較可見一斑(見表)。

　　表：SF、MF、CMF材料的振幅磁導率和電阻率比較

利用FFDM優(yōu)化EMIC-WP

由于以下一些特性，F(xiàn)FDM可以幫助設(shè)計人員實現(xiàn)EMIC-WP系統(tǒng)的最優(yōu)化。

美學設(shè)計：高性能FFDM(在工作頻率點具有最高磁導率、最低損耗)可減少設(shè)計厚度，實現(xiàn)纖薄的外形設(shè)計。

更輕的重量：FFDM可以提高線圈效率，有利于使用更小的線圈，而限制最終設(shè)計的重量和尺寸。

可靠性：FFDM有助于增強EMIC-WP系統(tǒng)的設(shè)計魯棒性和可靠性，因為它能限制雜散EMI場和相關(guān)的負面影響，例如：其它系統(tǒng)元器件的感應加熱。

高效的能量傳輸：FFDM可以用來集中EMIC-WP初級線圈的通量場，實現(xiàn)與接收線圈更有效的耦合，從而提高能量傳輸效率。FFDM設(shè)計還有助于改善充電時間。總之，采用FFDM精心設(shè)計的EMIC-WP系統(tǒng)可以達到70%以上的能量傳輸效率，并且具有與普通移動設(shè)備的有線插座充電器近乎相同的設(shè)備電池充電時間周期。

一些公開發(fā)表的文章還指出，EMIC-WP系統(tǒng)具有比普通消費型硬連線充電器更多的潛在優(yōu)點。與持續(xù)插入電源的硬連線充電器相比，能夠給多個設(shè)備充電并且包含可關(guān)閉系統(tǒng)使之到達可忽略待機功耗的智能電子器件的EMIC-WP系統(tǒng)，可以實現(xiàn)更好的節(jié)能效果。

總之，從硬連線墻式充電器和EMIC-WP系統(tǒng)的實際使用情況可以看出，EMIC-WP系統(tǒng)至少是一種不帶電的功耗系統(tǒng)或改進了的系統(tǒng)。線圈設(shè)計中的FFDM選擇和幾何實現(xiàn)是滿足能量傳輸設(shè)計目標的關(guān)鍵。

安全：由于支持多臺移動設(shè)備，EMIC-WP系統(tǒng)可以認為比更常見的消費類替代品更加安全。這是因為EMIC-WP家用產(chǎn)品具有更少的硬連線和更少的通斷操作。

FFDM可以顯著影響EMIC-WP線圈的性能，這可以通過比較以下三種不同情形看出：自由空間，接近金屬型結(jié)構(gòu)的線圈，以及介于線圈和金屬結(jié)構(gòu)之間的FFDM (圖2)。這種建模表明如果線圈接近沒有FFDM的金屬表面時，渦流損耗將會如何影響通電線圈。FFDM可以重新聚焦通量場，確保正確的通量場管理，從而實現(xiàn)可能最高的系統(tǒng)性能。

圖2：在三種環(huán)境中對線圈和相關(guān)通量場進行建模：在具有確定通量場的自由空間中的線圈(a)，因渦流損耗而減少了通量場的、靠近金屬表面的線圈(b)，在線圈和金屬之間有FFDM的、靠近金屬的線圈(c)。后者顯示了顯著改進的通量場性能。

在典型的EMIC-WP系統(tǒng)配置中，移動設(shè)備在進入初級線圈通量場時，使用FFDM優(yōu)化接收線圈感應(圖3)。使用FFDM可以增強初級線圈通量場，并確保組件的其它部分具有明確的通量場和低損耗。接收線圈的FFDM可以優(yōu)化經(jīng)過線圈的通量場，從而建立高度的感應耦合效果。

圖3：典型EMIC-WP系統(tǒng)裝置中的移動設(shè)備在進入初級線圈通量場時，使用FFDM優(yōu)化接收線圈感應

EMIC-WP系統(tǒng)可以采用單個線圈或多個線圈進行設(shè)計，以簡化在初級線圈表面上的器件定位，實現(xiàn)最優(yōu)的充電周期。FFDM可以與兩種系統(tǒng)一起使用，并且可以根據(jù)磁導率、厚度、多層設(shè)計、材料組合、幾何形狀等改變實現(xiàn)。所有措施都是為了優(yōu)化通量場路徑特性和能量傳輸效率。

許多FFDM在其他移動設(shè)備應用中也很有用，例如：近場通信(NFC)或射頻標簽(RFID)應用。與EMIC-WP能量通量場不同，NFC/RFID應用具有初級(發(fā)送)和接收線圈(或天線)，用于發(fā)送數(shù)據(jù)通量場。FFDM可以用來提高線圈效率，改善距離和誤碼率方面的通信性能。

FFDM還可以用于許多電子設(shè)備中因電流流動產(chǎn)生的低頻磁噪聲的EMI屏蔽應用。FFDM能夠與流動電流產(chǎn)生的輻射磁通量場發(fā)生交互，并改變其方向，從而保護其它器件、系統(tǒng)線路或相鄰元器件免受流動電流磁通量場的影響。