关于无线充电系统中线圈的设计考量

我们都听说过TI、凌力尔特、IDT、东芝等许许多多公司为无线电力传输这个快速增长的市场开发的无线电力发射器/接收器IC。一个经常被忽视但不管怎样都是无线电力传输解决方案中的关键元件是发射/接收天线线圈。设计人员可以设计他们自己的线圈，但有两家非常杰出而且能力最强的公司，他们专门为用户设计各种各样这方面的线圈。

在今年的DesignCon 2015展会上，笔者参观了Würth Elektronik公司展台，对这家公司在无线充电和发射线圈方面所涉及的设计深度惊叹不已。

首先，我非常看好象无线电力传输这种覆盖范围广泛的技术所遵循的标准和互操作性。Würth Elektronik eiSos (无源和机械元器件) 公司是WPC无线充电联盟和A4WP(也称为Rezence)无线充电联盟的成员。为了进一步巩固和统一标准，A4WP已经同意与PMA无线充电联盟(PMA)合并。这将有助于这个行业采用一个通用的标准，并有望在不远的将来WPC也采用同样的标准。

对设计人员来说接下来最重要的是获得性能良好的演示板。Würth Elektronik eiSos公司有一个5W的设计套件，该套件采用最优化的元件，可以满足Qi标准。设计人员就是需要类似这样的工具，以便减轻他们的设计负担，加快产品上市。Digi-Key在他们的网站上提供这个套件。Mouser公司在他们的网站上也有这个套件出售。


图1：Würth 5W套件对于使用Qi标准完善无线电力传输发明的设计人员来说很重要。这些演示板使用了TI的IC以及各种充电和发射线圈，用户可以从中进行选择。


图2：有各种线圈尺寸和形状可供设计人员设计时选用。表1列出了这个套件中提供的各种尺寸。


表1，5W演示套件中提供的各种无线电力线圈。
  
Würth Elektronik eiSos公司特别提供
  
无线电力传输的原理  


图3：无线电力传输的原理

NuCurrent线圈

NuCurrent公司有一种无线充电天线技术可以兼容A4WP、Qi和PMA标准。用户使用该公司的解决方案后无需过多的考虑标准问题，因为这些解决方案对标准问题进行了简化。通过使用他们的多模解决方案，接收线圈可以与包括Qi、PMA和A4WP在内的各种发射器一起配合工作。事实上，NuCurrent的高效率谐振器已被选择用于首款商用A4WP认证产品和WPC标准天线实现车载充电(即将手机放在汽车中央扶手上进行充电)。NuCurrent公司还宣布了战略性合作伙伴和来自Molex的投资，其产品被选择作为博通和宜普等其它无线充电行业领先公司开发的系统中的参考天线。

好吧，如果宜普公司选择NuCurrent作为合作伙伴，那么我深信他们肯定有某些特殊的地方。宜普公司开发生产坚固耐用的高速大功率eGaN MOSFET，这些器件适合用作无线充电线圈的大功率驱动器，而且宜普的应用工程人员是一个极具才能的团体。
因此，笔者专门对发明印刷线圈技术的这家设计公司进行了调查，并于最近采访了公司的首席执行官Jacob Babcock。NuCurrent线圈有何不同？Babcock告诉说，这些线圈具有市场上最高的品质因数。

什么是品质因数Q？

WPC对Q的定义是：

对于相同体积和形状但绕组安排不同的线圈来说，其电感L和电阻R的比值保持不变。为了区别不同的线圈结构，将这个比值定义为品质因数Q是有意义的。

电感中同一电流感应的电压随频率f以及器件中的视在功率变化而变化。品质因数的一般定义基于的是视在功率与器件中 功率损失之比。根据这个定义，可以推导出一个线圈的品质因数：

Q = ωL/R

其中ω = 2πf:

品质因数Q的取值范围是0到无穷大，虽然对线圈来说很难获得远大于1000的值。对于批量产品来说，可以期待的品质因数大约是100左右。低于10的品质因数就不是很有用了。这些值必须按典型的数量级加以考虑。

对于固定的工作频率来说，品质因数Q主要取决于线圈的形状和尺寸以及所用的材料。标准线圈技术(比如线绕线圈、PCB线圈)一般都规定有品质因数值。

与传统的无线充电天线相比，NuCurrent器件体积更小，可以延长电池寿命，覆盖更远的距离，并具有更低的发热量，对准的灵活性也更强。

WPC和A4WP使用的两个最常用的天线频率分别是150kHz和6.78MHz。  


图4：NuCurrent技术可以用来创建高效灵活的无线充电天线(NuCurrent公司特别提供)

在低频(Qi兼容)下，系统通常工作在大约2cm的较近距离，印刷线圈的好处在于耐用性、灵活性、可扩展性，并且方便集成。
在较高频率(A4WP兼容)下，潜在好处是更远的电力传输距离、更好的方向灵活性和更小的尺寸。这种天线在这里被称为“谐振器”，凭借它们的小型尺寸和低廉价格，它们可以提供可能最好的Q值，因为它们有助于将设计实现到像PCB和柔性电路等标准制造工艺中。

线圈技术的两大突破

Babcock告诉说，是两大根本性突破才使得他的技术得以浮出无线电力传输领域水面。他的第一项努力成果是无线充电植入器。
一个是固有的“趋肤效应”，另一个是“接近效应”。

高频“趋肤效应”和“接近效应”在Babcock的无线充电植入设计中是很突出的两个问题。他对如何最大程度地减小这些效应进行了研究，发现如果导线中的电流被分流到多条更小直径的导线上，可以显著减小电阻，效率也比其它印刷方法和磁性导线要高得多。从某种程度上，这就像在坚固的、可扩展的印刷基板中放置易受干扰的、不一致但低电阻的利兹线。
  
效率

效率与具体应用有关，但总的来说，NuCurrent公司的电感效率在高频(1MHz+)时比其它任何种类的电感都要高。它们的Q值在150KHz和6.78MHz时分别提高了20%和60%。
  
NuCurrent这种私有技术的基本前提是减轻了较高频率时在导线中发生的典型高频“趋肤效应”。他们的设计提供更多的表面积供电流流动，因此可以帮助设计人员实现更高的效率、更小的尺寸、更好的耐用性和更低的成本。

NuCurrent公司的设计工具和私有算法采用多层(ML)导线技术，可以将设计转换为具有比大多数其它解决方案更低电阻和更高Q值的电感性结构。这些设计支持FR-4或柔性聚酰亚胺上实现不同形状的多层多匝数(MLMT)导线。

NuCurrent结构从单位1到1000表现得更加一致；在恶劣环境中更具鲁棒性；在大批量时具有更高的成本效益；无需任何焊接就可以直接集成进PCB或其它基板(最新发展成果是集成到家具内部，比如衣柜、餐桌等)。  



图5：NuCurrent专利性技术将频率和电阻分解开来；可以减轻电感中的高频效应，进而实现更高的效率/更高Q值的电感。(NuCurrent特别提供)

请大家在2015年密切跟踪这种技术的发展，因为随着众多公司找到新的应用和改进这种技术以赢取这个不断增长的市场中更多的份额，更多的技术成果将展现在大家面前。