關于無線充電系統(tǒng)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(fā)的無線電力發(fā)射器/接收器IC。一個經(jīng)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(fā)射/接收天線線圈。設計人員可以設計他們自己的線圈，但有兩家非常杰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。

　　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(fā)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范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(lián)盟和A4WP(也稱為Rezence)無線充電聯(lián)盟的成員。為了進一步鞏固和統(tǒng)一標準，A4WP已經(jīng)同意與PMA無線充電聯(lián)盟(PMA)合并。這將有助于這個行業(yè)采用一個通用的標準，并有望在不遠的將來WPC也采用同樣的標準。

　　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，該套件采用最優(yōu)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(chǎn)品上市。Digi-Key在他們的網(wǎng)站上提供這個套件。Mouser公司在他們的網(wǎng)站上也有這個套件出售。

　　圖1：Würth 5W套件對于使用Qi標準完善無線電力傳輸發(fā)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(fā)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。

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　　圖3：無線電力傳輸?shù)脑?/p>

　　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后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(nèi)的各種發(fā)射器一起配合工作。事實上，NuCurrent的高效率諧振器已被選擇用于首款商用A4WP認證產(chǎn)品和WPC標準天線實現(xiàn)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(zhàn)略性合作伙伴和來自Molex的投資，其產(chǎn)品被選擇作為博通和宜普等其它無線充電行業(yè)領先公司開發(fā)的系統(tǒng)中的參考天線。

　　好吧，如果宜普公司選擇NuCurrent作為合作伙伴，那么我深信他們肯定有某些特殊的地方。宜普公司開發(fā)生產(chǎn)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(qū)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(fā)明印刷線圈技術的這家設計公司進行了調(diào)查，并于最近采訪了公司的首席執(zhí)行官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(zhì)因數(shù)。

　　什么是品質(zhì)因數(shù)Q?

　　WPC對Q的定義是：

　　對于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(qū)別不同的線圈結(jié)構(gòu)，將這個比值定義為品質(zhì)因數(shù)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(zhì)因數(shù)的一般定義基于的是視在功率與器件中 功率損失之比。根據(jù)這個定義，可以推導出一個線圈的品質(zhì)因數(shù)：

　　Q = ωL/R

　　其中ω = 2πf:

　　品質(zhì)因數(shù)Q的取值范圍是0到無窮大，雖然對線圈來說很難獲得遠大于1000的值。對于批量產(chǎn)品來說，可以期待的品質(zhì)因數(shù)大約是100左右。低于10的品質(zhì)因數(shù)就不是很有用了。這些值必須按典型的數(shù)量級加以考慮。

　　對于固定的工作頻率來說，品質(zhì)因數(shù)Q主要取決于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(guī)定有品質(zhì)因數(shù)值。

　　與傳統(tǒng)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，并具有更低的發(fā)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(chuàng)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(tǒng)通常工作在大約2cm的較近距離，印刷線圈的好處在于耐用性、靈活性、可擴展性，并且方便集成。

　　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。這種天線在這里被稱為“諧振器”，憑借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，因為它們有助于將設計實現(xiàn)到像PCB和柔性電路等標準制造工藝中。

　　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(fā)現(xiàn)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干擾的、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(fā)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(xiàn)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采用多層(ML)導線技術，可以將設計轉(zhuǎn)換為具有比大多數(shù)其它解決方案更低電阻和更高Q值的電感性結(jié)構(gòu)。這些設計支持FR-4或柔性聚酰亞胺上實現(xiàn)不同形狀的多層多匝數(shù)(MLMT)導線。

　　NuCurrent結(jié)構(gòu)從單位1到1000表現(xiàn)得更加一致;在惡劣環(huán)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(fā)展成果是集成到家具內(nèi)部，比如衣柜、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(xiàn)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(fā)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(xiàn)在大家面前。