基于通量場(chǎng)定向材料優(yōu)化無(wú)線(xiàn)充電的設計

業(yè)界對高效電池再充電解決方案的要求絲毫不減，這也促使設計人員快速開(kāi)發(fā)出最新最優(yōu)的解決方案。無(wú)線(xiàn)充電將成為移動(dòng)設備領(lǐng)域中的新興發(fā)展趨勢。就近期而言，它將影響到蜂窩電話(huà)、筆記本電腦和平板電腦等設備。長(cháng)期目標還包括電動(dòng)汽車(chē)電池。

無(wú)線(xiàn)充電通常意味著(zhù)，無(wú)需使用電線(xiàn)就能將能量直接從某個(gè)電源輸送到電池進(jìn)行充電。有多種不同的方法實(shí)現這個(gè)任務(wù)，涵蓋范圍從電磁感應耦合(EMIC)和電磁諧振耦合到激光能量傳輸系統等。EMIC是目前最具成本效益并又很容易實(shí)現的方法。電磁諧振耦合在本質(zhì)上與之相似，但在實(shí)現上卻較為復雜。

簡(jiǎn)單地講，EMIC就是將信號從A點(diǎn)(初級線(xiàn)圈)發(fā)送到B點(diǎn)(拾波或接收線(xiàn)圈)。流經(jīng)初級線(xiàn)圈的電流將產(chǎn)生電磁通量場(chǎng)(信號)并從線(xiàn)圈輻射出來(lái)。接收線(xiàn)圈位于初級線(xiàn)圈的作用范圍內，因此，初級線(xiàn)圈的通量場(chǎng)將與接收線(xiàn)圈相交。該通量場(chǎng)將在接收線(xiàn)圈中感應出電流，該電能就可用來(lái)給移動(dòng)系統的電池進(jìn)行無(wú)線(xiàn)充電。

EMIC無(wú)線(xiàn)能量

EMIC無(wú)線(xiàn)能量(EMIC-WP)傳輸或充電系統的基本設計概念非常簡(jiǎn)單。設計中較困難的部分是如何達到關(guān)鍵的設計目標，即讓消費者接受它作為可行的移動(dòng)設備充電選擇方案。

移動(dòng)EMIC-WP系統應能提供美觀(guān)的設計(即輕巧纖薄，并能夠滿(mǎn)足消費者對移動(dòng)設備和相關(guān)EMIC-WP站的期望值)，并且還要具有重量輕、可靠、高效能量傳輸和安全等特性。如果設計滿(mǎn)足所有這些因素，那么EMIC-WP將順理成章地成為各種類(lèi)型移動(dòng)設備事實(shí)上的充電解決方案。

設計EMIC-WP系統時(shí)有許多考慮因素，例如：控制和電力電子器件，線(xiàn)圈設計，初次級線(xiàn)圈之間的間距考慮，以及設計工作頻率等。設計人員還必須知曉多種不足之處。

例如：能量傳輸效率一直是消費者所關(guān)心的頭等大事。如果能量傳輸效率顯著(zhù)低于直接連線(xiàn)的充電器系統，那么消費者就不太可能看好系統的附加成本。另外，如果EMIC-WP接收側的尺寸變化很大的話(huà)(某些時(shí)候，如果充電站很大的話(huà))，設備將被認為具有較差的移動(dòng)性。這樣，EMIC-WP就很難成為通用模式的供電解決方案。最后，如果EMIC-WP解決方案出現一些負面效應(例如：干擾其它元器件的電子功能，或在工作期間加熱附近元器件等)，那么消費者就有理由懷疑其安全性得不到保障。

為了解決這些問(wèn)題，設計人員需要確保在他們的EMIC-WP系統中采用通量場(chǎng)定向材料(FFDM)。與線(xiàn)圈產(chǎn)生的通量場(chǎng)發(fā)生交互的FFDM，可以確保EMIC-WP系統產(chǎn)生的通量場(chǎng)達到關(guān)鍵的設計目標。

FFDM磁導率和損耗

需要根據EMIC-WP系統性能目標對FFDM做出正確選擇。FFDM的性能可以通過(guò)在所選EMIC-WP工作頻率點(diǎn)與所產(chǎn)生的通量場(chǎng)發(fā)生交互的能力來(lái)表征。每種FFDM都將根據隨工作頻率發(fā)生變化的下面兩種特性與特定通量場(chǎng)發(fā)生交互。

FFDM磁導率：磁導率衡量的是通量場(chǎng)能夠被耦合到FFDM以改變通量場(chǎng)方向的程度(即改進(jìn)與線(xiàn)圈的通量場(chǎng)交互，減少渦流損耗，提供通量場(chǎng)屏蔽)。在工作頻率點(diǎn)具有較高磁導率的FFDM更為可取，原因有多個(gè)方面，例如：能夠滿(mǎn)足目標應用的厚度要求，減輕重量，或實(shí)現更小的XY空間尺寸。

FFDM損耗：損耗衡量的是在FFDM交互期間通量場(chǎng)強度的減少程度。當通量場(chǎng)穿過(guò)FFDM時(shí)，FFDM可能以熱損耗的方式耗散掉一定百分比的通量場(chǎng)。在EMIC-WP系統的工作頻率點(diǎn)損耗應盡可能小。材料中的損耗(即轉換成熱量的能量)取決于頻率，它一般與FFDM中的渦流產(chǎn)生、磁滯損耗和鐵磁諧振交互有關(guān)。

通常與FFDM相關(guān)的另一種材料是電磁吸收材料。這種材料一般在比EMIC-WP系統更高的應用頻率點(diǎn)具有相對較低的磁導率和較高的損耗。吸收材料能夠減少電磁干擾(EMI)信號的通量場(chǎng)強度，并可用來(lái)在感興趣的頻率范圍內實(shí)現最大可能的衰減。

例如：電磁吸收材料經(jīng)常用來(lái)減少來(lái)自IC器件或有EMI噪聲的電源的EMI噪聲。在采用許多天線(xiàn)或較高頻率處理器的移動(dòng)系統中，吸收材料能夠最大限度地減少可能由天線(xiàn)(Wi-Fi、4G天線(xiàn))或數據線(xiàn)(data flex)收集到的EMI。EMI還可能降低天線(xiàn)或數據線(xiàn)的信噪比性能，而導致更高的數據誤碼率或較短的讀取距離，或者影響設備的EMI驗收測試結果。

FFDM的類(lèi)型

FFDM有三種基本形式：燒結鐵素體(SF)薄片，復合磁性填充物(CMF)薄片(人造橡膠+磁性填充物)和磁性箔片(MF)。

SF薄片的成分和在某個(gè)頻率范圍內的磁導率及損耗特性有所變化(圖1)。典型的SF材料包括鎳鋅鐵尖晶石和錳鋅鐵尖晶石。SF類(lèi)型的選擇依據應用頻率、電源設計效率、磁導率、損耗、最小厚度、成本和易用性等。這些產(chǎn)品一般又硬又脆，需要保護膜用于保護、裸片切割和方便處理。

　　圖1：對典型燒結鐵素體薄片材料(3M公司的EM-600)的磁導率和損耗與頻率關(guān)系的測試結果

CMF薄片由填充了磁性填充物的人造橡膠組成。CMF型薄片具有很好的撓性和適中的價(jià)格。這些薄片一般具有比性能更好的SF薄片更低的磁導率，對某些EMIC-WP系統來(lái)說(shuō)是很有用的選擇。

MF具有最高的磁導潛力，因而能夠提高EMIC-WP性能。這些產(chǎn)品可以實(shí)現很薄的解決方案，并且能夠堆疊成多層解決方案，進(jìn)而實(shí)現最優(yōu)的EMIC-WP解決方案。

每種FFDM的磁導率和損耗特性都將隨給定頻率而改變。在EMIC-WP設計中，這些材料可以單獨使用，也可以互相一起使用，從而實(shí)現能夠滿(mǎn)足主要設計特性的解決方案。設計時(shí)可以把FFDM放在箔片底下及沿著(zhù)箔片設計的邊緣放置。

當在典型產(chǎn)品中使用時(shí)，這些材料中每種材料的屬性都有很大的變化。從這些材料在EMIC-WP系統中的性能和在EMIC-WP系統工作頻率點(diǎn)的最佳磁導率/損耗比的比較可見(jiàn)一斑(見(jiàn)表)。

　　表：SF、MF、CMF材料的振幅磁導率和電阻率比較

利用FFDM優(yōu)化EMIC-WP

由于以下一些特性，FFDM可以幫助設計人員實(shí)現EMIC-WP系統的最優(yōu)化。

美學(xué)設計：高性能FFDM(在工作頻率點(diǎn)具有最高磁導率、最低損耗)可減少設計厚度，實(shí)現纖薄的外形設計。

更輕的重量：FFDM可以提高線(xiàn)圈效率，有利于使用更小的線(xiàn)圈，而限制最終設計的重量和尺寸。

可靠性：FFDM有助于增強EMIC-WP系統的設計魯棒性和可靠性，因為它能限制雜散EMI場(chǎng)和相關(guān)的負面影響，例如：其它系統元器件的感應加熱。

高效的能量傳輸：FFDM可以用來(lái)集中EMIC-WP初級線(xiàn)圈的通量場(chǎng)，實(shí)現與接收線(xiàn)圈更有效的耦合，從而提高能量傳輸效率。FFDM設計還有助于改善充電時(shí)間?？傊?，采用FFDM精心設計的EMIC-WP系統可以達到70%以上的能量傳輸效率，并且具有與普通移動(dòng)設備的有線(xiàn)插座充電器近乎相同的設備電池充電時(shí)間周期。

一些公開(kāi)發(fā)表的文章還指出，EMIC-WP系統具有比普通消費型硬連線(xiàn)充電器更多的潛在優(yōu)點(diǎn)。與持續插入電源的硬連線(xiàn)充電器相比，能夠給多個(gè)設備充電并且包含可關(guān)閉系統使之到達可忽略待機功耗的智能電子器件的EMIC-WP系統，可以實(shí)現更好的節能效果。

總之，從硬連線(xiàn)墻式充電器和EMIC-WP系統的實(shí)際使用情況可以看出，EMIC-WP系統至少是一種不帶電的功耗系統或改進(jìn)了的系統。線(xiàn)圈設計中的FFDM選擇和幾何實(shí)現是滿(mǎn)足能量傳輸設計目標的關(guān)鍵。

安全：由于支持多臺移動(dòng)設備，EMIC-WP系統可以認為比更常見(jiàn)的消費類(lèi)替代品更加安全。這是因為EMIC-WP家用產(chǎn)品具有更少的硬連線(xiàn)和更少的通斷操作。

FFDM可以顯著(zhù)影響EMIC-WP線(xiàn)圈的性能，這可以通過(guò)比較以下三種不同情形看出：自由空間，接近金屬型結構的線(xiàn)圈，以及介于線(xiàn)圈和金屬結構之間的FFDM (圖2)。這種建模表明如果線(xiàn)圈接近沒(méi)有FFDM的金屬表面時(shí)，渦流損耗將會(huì )如何影響通電線(xiàn)圈。FFDM可以重新聚焦通量場(chǎng)，確保正確的通量場(chǎng)管理，從而實(shí)現可能最高的系統性能。

圖2：在三種環(huán)境中對線(xiàn)圈和相關(guān)通量場(chǎng)進(jìn)行建模：在具有確定通量場(chǎng)的自由空間中的線(xiàn)圈(a)，因渦流損耗而減少了通量場(chǎng)的、靠近金屬表面的線(xiàn)圈(b)，在線(xiàn)圈和金屬之間有FFDM的、靠近金屬的線(xiàn)圈(c)。后者顯示了顯著(zhù)改進(jìn)的通量場(chǎng)性能。

在典型的EMIC-WP系統配置中，移動(dòng)設備在進(jìn)入初級線(xiàn)圈通量場(chǎng)時(shí)，使用FFDM優(yōu)化接收線(xiàn)圈感應(圖3)。使用FFDM可以增強初級線(xiàn)圈通量場(chǎng)，并確保組件的其它部分具有明確的通量場(chǎng)和低損耗。接收線(xiàn)圈的FFDM可以?xún)?yōu)化經(jīng)過(guò)線(xiàn)圈的通量場(chǎng)，從而建立高度的感應耦合效果。

圖3：典型EMIC-WP系統裝置中的移動(dòng)設備在進(jìn)入初級線(xiàn)圈通量場(chǎng)時(shí)，使用FFDM優(yōu)化接收線(xiàn)圈感應

EMIC-WP系統可以采用單個(gè)線(xiàn)圈或多個(gè)線(xiàn)圈進(jìn)行設計，以簡(jiǎn)化在初級線(xiàn)圈表面上的器件定位，實(shí)現最優(yōu)的充電周期。FFDM可以與兩種系統一起使用，并且可以根據磁導率、厚度、多層設計、材料組合、幾何形狀等改變實(shí)現。所有措施都是為了優(yōu)化通量場(chǎng)路徑特性和能量傳輸效率。

許多FFDM在其他移動(dòng)設備應用中也很有用，例如：近場(chǎng)通信(NFC)或射頻標簽(RFID)應用。與EMIC-WP能量通量場(chǎng)不同，NFC/RFID應用具有初級(發(fā)送)和接收線(xiàn)圈(或天線(xiàn))，用于發(fā)送數據通量場(chǎng)。FFDM可以用來(lái)提高線(xiàn)圈效率，改善距離和誤碼率方面的通信性能。

FFDM還可以用于許多電子設備中因電流流動(dòng)產(chǎn)生的低頻磁噪聲的EMI屏蔽應用。FFDM能夠與流動(dòng)電流產(chǎn)生的輻射磁通量場(chǎng)發(fā)生交互，并改變其方向，從而保護其它器件、系統線(xiàn)路或相鄰元器件免受流動(dòng)電流磁通量場(chǎng)的影響。