關(guān)于無線充電系統(tǒng)中線圈的設(shè)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(guān)鍵元件是發(fā)射/接收天線線圈。設(shè)計人員可以設(shè)計他們自己的線圈，但有兩家非常杰出而且能力最強(qiáng)的公司，他們專門為用戶設(shè)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(shè)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(shù)所遵循的標(biāo)準(zhǔn)和互操作性。Würth Elektronik eiSos (無源和機(jī)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(jìn)一步鞏固和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)，并有望在不遠(yuǎn)的將來WPC也采用同樣的標(biāo)準(zhǔn)。

　　對設(shè)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(shè)計套件，該套件采用最優(yōu)化的元件，可以滿足Qi標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計人員就是需要類似這樣的工具，以便減輕他們的設(shè)計負(fù)擔(dān)，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(biāo)準(zhǔn)完善無線電力傳輸發(fā)明的設(shè)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(jìn)行選擇。

　　圖2：有各種線圈尺寸和形狀可供設(shè)計人員設(shè)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。

　　無線電力傳輸?shù)脑?/p>

　　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(shù)可以兼容A4WP、Qi和PMA標(biāo)準(zhǔn)。用戶使用該公司的解決方案后無需過多的考慮標(biāo)準(zhǔn)問題，因為這些解決方案對標(biāo)準(zhǔn)問題進(jìn)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(shí)上，NuCurrent的高效率諧振器已被選擇用于首款商用A4WP認(rèn)證產(chǎn)品和WPC標(biāo)準(zhǔn)天線實(shí)現(xiàn)車載充電(即將手機(jī)放在汽車中央扶手上進(jìn)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(lǐng)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(yīng)用工程人員是一個極具才能的團(tuán)體。

　　因此，筆者專門對發(fā)明印刷線圈技術(shù)的這家設(shè)計公司進(jìn)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(yīng)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(dǎo)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)線圈技術(shù)(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(yuǎn)的距離，并具有更低的發(fā)熱量，對準(zhǔn)的靈活性也更強(qiáng)。

　　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(shù)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(kuò)展性，并且方便集成。

　　在較高頻率(A4WP兼容)下，潛在好處是更遠(yuǎn)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(shè)計實(shí)現(xiàn)到像PCB和柔性電路等標(biāo)準(zhǔn)制造工藝中。

　　線圈技術(shù)的兩大突破

　　Babcock告訴說，是兩大根本性突破才使得他的技術(shù)得以浮出無線電力傳輸領(lǐng)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(yīng)”，另一個是“接近效應(yīng)”。

　　高頻“趨膚效應(yīng)”和“接近效應(yīng)”在Babcock的無線充電植入設(shè)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(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)如果導(dǎo)線中的電流被分流到多條更小直徑的導(dǎo)線上，可以顯著減小電阻，效率也比其它印刷方法和磁性導(dǎo)線要高得多。從某種程度上，這就像在堅固的、可擴(kuò)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(yīng)用有關(guān)，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(shù)的基本前提是減輕了較高頻率時在導(dǎo)線中發(fā)生的典型高頻“趨膚效應(yīng)”。他們的設(shè)計提供更多的表面積供電流流動，因此可以幫助設(shè)計人員實(shí)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(shè)計工具和私有算法采用多層(ML)導(dǎo)線技術(shù)，可以將設(shè)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(shè)計支持FR-4或柔性聚酰亞胺上實(shí)現(xiàn)不同形狀的多層多匝數(shù)(MLMT)導(dǎo)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(jìn)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(shù)將頻率和電阻分解開來;可以減輕電感中的高頻效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)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(shù)的發(fā)展，因為隨著眾多公司找到新的應(yīng)用和改進(jìn)這種技術(shù)以贏取這個不斷增長的市場中更多的份額，更多的技術(shù)成果將展現(xiàn)在大家面前。