為無線電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)一款符合 Qi 標(biāo)準(zhǔn)的接收機(jī)線圈

概述

無線充電聯(lián)盟 (WPC) Qi 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施讓各種終端應(yīng)用擁有了無線充電功能。每一種應(yīng)用的接收機(jī) (Rx) 線圈的尺寸和/或功率要求可能會(huì)不同。要想實(shí)現(xiàn)一種成功、高效的 Qi 標(biāo)準(zhǔn) Rx 設(shè)計(jì)，Rx 線圈是一個(gè)關(guān)鍵組件。另外，我們還有許多設(shè)計(jì)方法和平衡折中需要考慮。因此，在實(shí)施某個(gè)解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎選擇方法，并且有條不紊地進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文將詳細(xì)討論實(shí)現(xiàn)一種成功的 Rx 線圈設(shè)計(jì)所要解決的一些技術(shù)問題。文章涉及基本變壓器的 Qi 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模型、Rx 線圈測量與系統(tǒng)級(jí)影響，以及檢查某個(gè)設(shè)計(jì)是否能夠成功運(yùn)行的一些方法。我們假設(shè)，本文讀者已掌握 Qi 標(biāo)準(zhǔn)電感式電源系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)。如欲了解背景資料，敬請參閱《參考文獻(xiàn) 2》。

變壓器 Qi 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)

對于許多近場無線電源系統(tǒng)(如 WPC 規(guī)定的無線電源系統(tǒng))而言，使用一個(gè)簡單的變壓器，便可以對磁電力傳輸行為建模。傳統(tǒng)變壓器通常為單一物理結(jié)構(gòu)，兩個(gè)繞組纏繞一個(gè)磁芯材料，且磁芯導(dǎo)磁性遠(yuǎn)高于空氣(圖 1)。由于傳統(tǒng)變壓器使用高導(dǎo)磁性材料來傳輸磁通量，因此一個(gè)線圈所產(chǎn)生的大部分(并非全部)磁通量與另一個(gè)線圈耦合。耦合程度可以通過一個(gè)被稱作耦合系數(shù)的參數(shù)來測定，其以k(取值范圍為 0 到 1)來表示。

圖 1 一個(gè)物理結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)變壓器

3 個(gè)參數(shù)定義一個(gè)雙線圈變壓器：

L11 為線圈 1 的自電感。

L22 為線圈 2 的自電感。

L12 為線圈 1 和 2 的互感。

兩個(gè)線圈之間的耦合系數(shù)可以表示為：

那么，利用圖 2 所示耦合電感器，便可以對理想變壓器建模。

利用該電感器的電壓和電流關(guān)系，便可得到該雙線圈變壓器的波節(jié)方程式：

為了方便進(jìn)行電路分析，圖 2 所示模型可以懸臂模型常用名稱來表示，如圖 3所示。此處的磁耦合和互感，被簡化為漏電感和磁化電感。這樣，通過一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)，我們便可以理解這種耦合的物理性質(zhì)。就理想變壓器而言，我們可以使用下列方程式計(jì)算出其匝數(shù)比：

圖 2 傳統(tǒng)變壓器的理想模型

圖 3 傳統(tǒng)變壓器的懸臂模型

在強(qiáng)耦合系統(tǒng)中，漏電感占磁化電感的百分比很小，因此在求一次近似值時(shí)，該參數(shù)可以忽略不計(jì)。除高耦合外，Qi 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中使用的串聯(lián)諧振電容也會(huì)降低漏電感的影響。所以，主線圈到次線圈的電壓增益的一次近似值為：

Qi 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的變壓器由兩個(gè)獨(dú)立物理器件組成：發(fā)射器 (Tx) 和接收機(jī) (Rx)，并且各自有一個(gè)隔離的線圈。當(dāng) Tx 和 Rx 相互靠近放置時(shí)，它們會(huì)形成一種耦合電感關(guān)系，其可以簡單地被建模為一個(gè)使用空氣磁芯的雙線圈變壓器(請參見圖 4)。兩端的屏蔽材料起到一個(gè)磁通短路的作用。這讓磁場線(磁通量)存在于兩個(gè)線圈之間。圖 5 顯示了典型運(yùn)行期間磁場線的 2D 仿真情況。

圖 4 使用一個(gè)空氣磁芯的簡易電感耦合變壓器

圖 5 兩個(gè)相互耦合線圈之間的磁場線舉例

就典型 Qi 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)而言，耦合系數(shù) (k) 要比使用傳統(tǒng)變壓器的情況低得多。傳統(tǒng)變壓器的耦合系數(shù)范圍為 0.95 到 0.99。例如，95% 到 99% 磁通量耦合至次級(jí)線圈;但是，對于 Qi 標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)來說，耦合系數(shù)范圍為 0.2 到 0.7，也即20% 到 70%。大多數(shù)情況下，Qi 標(biāo)準(zhǔn)往往會(huì)在 Tx 和 Rx 上使用一個(gè)串聯(lián)諧振電容，以緩解這種低耦合度問題。這種電容可以對諧振漏電感進(jìn)行補(bǔ)償。

Rx 線圈的電氣需求

在某些 Rx IC 中，動(dòng)態(tài)控制整流器的目標(biāo)電壓隨輸出電流變化而變化。由于整流器輸出指示變壓器需要的電壓增益，因此除輸出負(fù)載或者輸出功率需求以外，必須考慮整流器的最高輸出電壓。如圖 6 所示，1A 負(fù)載時(shí)，整流器輸出范圍為 ~7 到 5 V，這便決定了變壓器所要求的電壓增益。在根據(jù) WPC 規(guī)范(參見本文后面的“Rx 線圈微調(diào)”小節(jié))進(jìn)行微調(diào)時(shí)，需確保 Rx 線圈可以達(dá)到 Rx IC 所需電壓水平，這一點(diǎn)很重要。