无线充电系统设计时的注意事项
2020-03-09 11:06:50   来源：东方头条   

无线充电模块从2017年的5亿台增长到2018年的7.5亿台；由于内置无线充电，消费电子设备引领了无线充电模块2015年33%的增长，并随着iPhone8和iPhoneX的发布无线充电技术的应用进一步加速。

图（1）无线充电技术应用的市场预测

这一增长也使得现在辅助产品设计中也纳入了无线充电功能的设计。 对于许多设计师来说，这是他们第一次接触到无线充电模块设计。

无线充电技术常常会引出几个问题：

- 我应该选择哪种无线充电线圈技术？

- 我应该用什么尺寸的线圈？

- 如何匹配发射机和接收机线圈以获得最佳效率？

- 从我的设计中，我能期望什么样的功率和效率？

- 在我的设计中，我可以使用什么类型的接收机线圈？

选择合适的无线充电线圈技术

直到最近，无线充电市场一直被分成两个无线充电标准机构：无线充电联盟(WPC，Wireless Power

Consortium)和充电事务联盟(PMA，Power Matters Alliance)，但现在这两种充电已经趋同于一家公司。 CES2018显示Qi（Qi是无线电源联盟(WPC)的无线充电标准）主导无线充电市场。创造了候选标准PWA的PowerMat，现在已经与WPC联手，专注于Qi系统。

Qi无线充电技术

Qi是无线充电联盟(WPC)标准的紧密耦合感性无线充电，其涉及从发射机线圈与一个放置在它的顶部的紧密耦合的RX线圈之间的耦合电动势（EMF）。

图（2）-感应充电与共振充电

紧密耦合，0谐振线圈（左)允许最大功率传输，而松耦合的谐振线圈(右）可以放置在场中的任何地方。 图2显示了这两种技术的基本区别。

正如前面提到的，Qi技术正迎来新的增长高峰，目前已成为芯片供应商和产品开发商的主流解决方案；但实现一定距离的充电仍然是无线充电领域的圣杯。

谐振充电是另一种选择，提供松散耦合充电，因此被充电的设备有更多的自由度。 谐振无线充电技术有许多可以被利用的优点。 例如，允许多个设备同时充电，为应用提供不同的充电范围，并允许控制哪些设备首先被充电。

虽然谐振充电的充电效率将低于紧密耦合充电， 但是不同的用户应用场景仍然可以从谐振充电方式中受益，它提供创新的解决方案。 谐振充电并不是最便宜或者最有效的充电方式，但这两种技术都会发现它们的细分市场是由最终的应用所驱动的。

两种无线充电技术之间的比较

正如我们已经表明的那样，Qi（紧密耦合感应充电）是主导技术，但最好的无线充电技术将取决于应用因素。

感应充电

紧密耦合意味着更高的效率，但更少的空间自由度。

只能为单个移动设备充电.. 如果使用对准磁铁会降低“k”（耦合系数）以及电感，从而降低效率。

可以实现高功率充电，例如：Semtech TSDM RX-19V20W-EVM (19V/20W)，采用Abracon AWCCA-RX350300101Rx线圈。

相对于线圈的大小，比谐振充电方式相比充电速度更快。

谐振充电

宽松的耦合导致充电效率低，但具有更大的空间自由度。

可以同时为多个移动设备充电，不需要辅助对齐设备。

较低的传输功率(8W/1.6A)，例如ID TP90385V谐振充电发射机。

新的高功率近场WattUp发射机能够实现10W充电。

两个线圈可以保持谐振工作的最小距离。 如果谐振线圈移动太近，它们的互感会导致振荡磁场“崩溃”，功率传输停止。

线圈往往更大，以提供功率传输所需的Q值。 高Q值要求低阻抗，这也导致需要更厚的低电阻电线。

效率

这是决定哪种无线充电技术最适合特定应用的最重要的测量参数。

测量任何充电系统的效率，包括无线充电系统，都可以从基本效率公式计算：效率=Pout/(Pout-Ploss)，但当进行这些测量时，了解系统的总效率是很重要的。

图3和图4将有线充电与谐振充电进行了比较，显示了在测量DC Out（DC输出）时效率的变化。

图（3）典型的墙挂式充电系统

墙挂式充电系统不同点的效率：

在(DCOut A)-无线充电接收机输出的效率~80%至90%

在(DC Out B)-无线充电接收机输出的效率~60%至76%

在(DC Out C)-无线充电接收机输出的效率~50%至64%

当有线电路的效率（~95%）包括在内时，充电器的系统效率可以达到72%，考虑电池的系统效率可以达到47%；

图（4）典型的无线充电系统

无线充电系统不同地方的效率：

在(DC Out A)-无线充电接收机输出的效率~89%

在(DC Out B)-无线充电接收机输出的效率~75%

在(DC Out C)-无线充电接收机的输出效率~60%

因此，当从系统的端到端测量时，感应充电可以像有线充电器一样有效。

感应式近耦合与谐振式无线充电

图（5）比较的目的是展示电感和谐振充电技术之间的权衡。

图（5)-电感和谐振充电效率与负载(电池）电流

图（6）-充电周期效率计算图：绘制电池充电周期内的总能量随时间的变化

在电池的2100m AH充电期内，感应紧密耦合系统比松耦合谐振系统少使用50%的能量。 比较这两种技术，高频、松耦合系统通常会使用GaN输出晶体管和零电压开关，从而产生较少的发射机开关损耗，但由于谐振充电松耦合解决方案的性质，即使在20mm距离之外，也显示出相对较少的耦合损耗。

图（7）-充电效率vsTX和Rx线圈的Q值和动态比(D R)

图（7）显示了感应充电的一些限制，这需要线圈对齐和良好的匹配。 图中表明，功率传输效率是系统的Q和充电发射机与接收机之间距离的函数。 一些数据显示Q值在1000，但这是不可能在实践中实现的，因为电线或绕线组的损耗，所以Q值在20至100是正常的。

线圈的调谐有助于改善Q。 这些限制指出了松散耦合谐振充电的好处，其中线圈的对齐设计不能是平面的。

当选择Rx线圈进行感应充电时的考虑因素-耦合因子

感应式、紧密耦合无线充电系统中的“变压器”是两个独立的交互设备：TX线圈和RX线圈。 当相互放置时，它们以电感耦合的方式进行耦合，并被建模为带有空气芯的2线圈变压器。

图（8）-电感线圈耦合

在TX和RX线圈上的屏蔽是必不可少的，并提供一个短路径磁通，允许磁通流场包含在两个核心线圈以内。 并线圈需要增加铁氧体来提升通流线的浓度。

典型耦合系数(k=0.2~0.7)远低于传统变压器的耦合系数(k=0.95~0.99)。 这种较弱的耦合可以通过在TX和RX线圈上串联谐振帽增加Q值来减轻，不过 这意味着效率限制在85%左右。

耦合系数(k)为：

当选择一个Rx线圈进行感应充电时的考虑因素-屏蔽

感应无线充电线圈通常会看到一个铁氧体屏蔽。 图（10）显示了定位在黑色铁氧体屏蔽上的线圈。 铁氧体具有重要的性能可以屏蔽装配后的电子。

屏蔽有两大功能：

为磁通量提供一条“短路径”，使其限制屏蔽后其他部件的发热，将电动势聚焦到铁氧体中。

提高电感，使线圈可以用较少的绕组缠绕，节省过多的电阻。 注：防护罩应延伸至线圈外缘以外，以减少电动势逸出而降低了饱和点。

图（10）

所用的铁氧体材料很重要， 优选软铁氧体； 根据其磁矫顽力（它们对退磁的抵抗力），可以将铁氧体分为两类。 软铁氧体矫顽力低，最适于屏蔽..

铁氧体厚度是一个重要的考虑因素，较厚的屏蔽吸收更多的通量，不太容易饱和(Bs)，因此线圈外部的厚度和O/D是一个重要的考虑因素。

饱和磁化强度(Bs)表示通量密度的饱和极限，剩磁(Br)是即使在感应场退出后的剩余通量。 矫顽力(H c，Coercivity)是使铁氧体退磁所需的相反方向的磁场。

线圈尺寸大小的示例

如果需要5V/5W的输出，则Rx线圈电感为10uH的耦合系数为0.5左右，足以产生所需的电压，因为：

线圈电感与匝数平方成正比。

总结

在选择用于无线充电应用的线圈时，有多种因素需要考虑。 在满足规模和形式因素要求的同时实现适当的功率传输、效率和性能可能是一个挑战。 通过正确的线圈数和对必要的设计权衡的理解，可以优化无线充电设计。