基于通量場定向材料優(yōu)化無線充電的設計

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備領域中的新興發(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)的基本設計概念非常簡單。設計中較困難的部分是如何達到關鍵的設計目標，即讓消費者接受它作為可行的移動設備充電選擇方案。

移動EMIC-WP系統(tǒng)應能提供美觀的設計(即輕巧纖薄，并能夠滿足消費者對移動設備和相關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備事實上的充電解決方案。

設計EMIC-WP系統(tǒng)時有許多考慮因素，例如：控制和電力電子器件，線圈設計，初次級線圈之間的間距考慮，以及設計工作頻率等。設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接收側的尺寸變化很大的話(某些時候，如果充電站很大的話)，設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)生的通量場達到關鍵的設計目標。

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，或實現(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。

通常與FFDM相關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，或者影響設備的EMI驗收測試結果。

FFDM的類型

FFDM有三種基本形式：燒結鐵素體(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：對典型燒結鐵素體薄片材料(3M公司的EM-600)的磁導率和損耗與頻率關系的測試結果

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)能夠滿足主要設計特性的解決方案。設計時可以把FFDM放在箔片底下及沿著箔片設計的邊緣放置。

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可以幫助設計人員實現(xiàn)EMIC-WP系統(tǒng)的最優(yōu)化。

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

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

可靠性：FFDM有助于增強EMIC-WP系統(tǒng)的設計魯棒性和可靠性，因為它能限制雜散EMI場和相關的負面影響，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設計還有助于改善充電時間?？傊?，采用FFDM精心設計的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備的有線插座充電器近乎相同的設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，能夠給多個設備充電并且包含可關閉系統(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)。線圈設計中的FFDM選擇和幾何實現(xiàn)是滿足能量傳輸設計目標的關鍵。

安全：由于支持多臺移動設備，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，接近金屬型結構的線圈，以及介于線圈和金屬結構之間的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。