為無(wú)線(xiàn)電源系統設計一款符合 Qi 標準的接收機線(xiàn)圈

圖 6 整流器輸出與負載的關(guān)系

圖 7 所示流程圖描述了規定一個(gè)新的 Rx 線(xiàn)圈的建議方法。這種設計流程限制了屏蔽材料、線(xiàn)材規范和匝數。接下來(lái)，我們將逐一詳細討論。

圖 7 Rx 線(xiàn)圈設計方法流程圖

屏蔽材料

屏蔽材料有兩個(gè)主要功能：(1)為磁通量提供一條低阻抗通路，這樣能夠影響周?chē)饘傥矬w的能量線(xiàn)便極其少;(2)使用更少的匝數來(lái)實(shí)現更高電感的線(xiàn)圈，這樣便不會(huì )產(chǎn)生過(guò)高的電阻(匝數越多，電阻越高)。

我們可以使用能夠吸收大量磁通量的厚屏蔽材料(它們擁有高通量飽和點(diǎn))，以防止 Rx 線(xiàn)圈后面的材料發(fā)熱。當遇到有校準磁體的 Tx 或者 Rx 時(shí)，相比細薄的屏蔽材料，厚屏蔽材料的效率不易受到影響而降低。(這種影響的詳情，請參見(jiàn)本文后面的“Rx 線(xiàn)圈電感測量”小節)各大廠(chǎng)商(例如：威世(Vishay)、TDK、松下、EE、Elytone和Mingstar)提供的典型材料，均可以幫助最小化效率下降。請注意，高導磁鐵氧體材料(例如：鐵粉等)，并非始終都好于有隙分布材料。盡管鐵氧體材料擁有高導磁性，但是在屏蔽材料厚度減小時(shí)其通量飽和點(diǎn)較低。我們必須謹慎考慮這一因素。

Rx 線(xiàn)圈線(xiàn)材規范

權衡成本和性能，選擇相應的 Rx 線(xiàn)圈線(xiàn)材規范。大直徑線(xiàn)材或者雙股線(xiàn)材(兩條平行線(xiàn))擁有高效率，但價(jià)格更高，并且會(huì )帶來(lái)粗Rx線(xiàn)圈設計。例如，PCB 線(xiàn)圈可能在整體成本方面更加便宜，但相比雙股線(xiàn)，它會(huì )產(chǎn)生更高的等效串聯(lián)電阻。

匝數

一旦選定了線(xiàn)材和屏蔽材料，匝數便確定Rx線(xiàn)圈電感的大小。線(xiàn)圈電感和耦合決定 Rx 整流器輸出的電壓增益，以及Rx的總有效功率。圖 6 顯示了該電壓增益目標。

確定電感目標的一般方法步驟如下：

1、 Tx 的 A1 型線(xiàn)圈應用作主線(xiàn)圈特性的基礎(例如，面積為 1500mm2，電感為 24-µH，初級電壓為 19V)。

2、 當所用屏蔽材料的導磁性遠大于空氣(>20)時(shí)，線(xiàn)圈面積便可以很好地表示耦合系數。請注意，這種情況僅適用于單層或者雙層線(xiàn)匝的平面線(xiàn)圈。特殊線(xiàn)圈結構不適用該原則。為了確保合理的耦合和高效率，一個(gè) 5W 系統時(shí)，Rx線(xiàn)圈的線(xiàn)圈面積約為 A1 線(xiàn)圈的 70% 到 80%。這樣可以確保大多數合理設計擁有約 50% 的耦合系數，并且 Tx 和 Rx 線(xiàn)圈之間的距離 dz 達到 WPC 規定的 5mm。

3、 根據平均預計整流器電壓確定理想電壓增益—例如：圖 6 所示曲線(xiàn)圖中的 6V。本例中，電壓增益為 ~0.32 (6 V/19 V)。

5-V/5-W 輸出電壓系統的典型設計表明，耦合系數為 0.5 左右時(shí)，約10 µH 的二次電感便足以產(chǎn)生要求的目標電壓。系統設計中，我們需要考慮兩種關(guān)系：

因此，如果耦合系數從 0.5 變?yōu)?0.4，相同功率輸出的電感會(huì )增加至先前電感的1.6 倍。這就意味著(zhù)新電感為 ~16 µH。如方程式 5b 所示，線(xiàn)圈電感與匝數與比例關(guān)系。

表 1 列出了專(zhuān)為該系統設計的某些常見(jiàn)線(xiàn)圈的二次電感和耦合系數。

表 1 典型線(xiàn)圈示例表

請注意，這些經(jīng)驗法則適用于一般平面線(xiàn)圈，主要用作設計入門(mén)。實(shí)際設計可利用仿真工具獲得最理想的優(yōu)化，如圖 7 中流程圖所示。

Rx 線(xiàn)圈電感測量

Rx線(xiàn)圈電感是一個(gè)非常重要的參數，它表明了 Rx AC/DC 功率級的電氣響應(例如：電壓增益和輸出阻抗等)。要想保持一致的響應，不同系統方案中電感的變化必須最小。由于 Qi 標準的通用性，Rx 線(xiàn)圈可以放置在不同類(lèi)型的 Tx上，而這可能會(huì )影響 Rx 線(xiàn)圈電感——從而影響電氣響應。

根據 WPC 規范的 4.2.2.1 小節內容，可使用圖 8 所示測試配置結構，對 Rx線(xiàn)圈電感 L′S 進(jìn)行測量。隔離墊片和 Tx 屏蔽材料為模擬 Rx 線(xiàn)圈周?chē)?Tx 組件提供了參考。在這種測試配置結構中，Tx 屏蔽為 TDK 公司的 50 × 50 × 1-mm 鐵氧體材料(PC44)。利用非金屬隔離墊片，使間隙 dZ 達到 3.4 mm。然后，將 Rx 線(xiàn)圈放置在該墊片上，使用 1-V RMS 和 100 kHz 測量 L′S。另外，在沒(méi)有 Tx 屏蔽的情況下，可對無(wú)間隙 Rx 線(xiàn)圈電感 Ls 進(jìn)行測量。

圖 8 Rx 線(xiàn)圈電感(L′S)測量測試配置圖

WPC 規范并未詳細說(shuō)明常見(jiàn)系統方案對 L′S 和 Ls 測量的影響。對這些參數最為常見(jiàn)的影響是在 Rx 線(xiàn)圈背后有一顆電池。由于封裝材料和電池的構造問(wèn)題，當在其背后放置電池時(shí)，Rx線(xiàn)圈電感通常會(huì )降低。除電池以外，Tx 線(xiàn)圈結構中磁體的存在，也會(huì )對電感產(chǎn)生影響。(參見(jiàn) WPC 規范1的 3.2.1.1.4 小節內容)該磁體相當于一個(gè) Rx 線(xiàn)圈屏蔽材料的壓力源，其中，屏蔽材料的磁性飽和點(diǎn)是一個(gè)關(guān)鍵參數。如果磁體存在時(shí)Rx線(xiàn)圈屏蔽材料飽和，則線(xiàn)圈電感急劇下降。由于 Qi 標準對有磁體和無(wú)磁體 Tx 線(xiàn)圈組件都進(jìn)行了規定，因此設計人員需要知道兩種情況下電感的變化，因此電感的任何變化都會(huì )改變 Rx 的諧振微調。請注意，圖 8 所示測試配置結構并沒(méi)有包括磁體。當包括某個(gè)磁體時(shí)，其磁通量密度應介于 75 和 150 mT 之間，而其通徑應為最大值 15.5 mm。這就意味著(zhù)，電力傳輸時(shí) Tx 線(xiàn)圈的典型 30-mT 磁場(chǎng)，約為該磁體磁場(chǎng)強度的 20%。