【導讀】很多的無(wú)線(xiàn)電力傳輸公司都在為這個(gè)快速增長(cháng)的網(wǎng)絡(luò )市場(chǎng)開(kāi)發(fā)出應廣大用戶(hù)需求的無(wú)線(xiàn)電力發(fā)射器和接收器IC。然而設計無(wú)線(xiàn)電力系統最關(guān)鍵的因素卻是——發(fā)射/接收天線(xiàn)線(xiàn)圈。只有設計出線(xiàn)圈才能設計出最完善的無(wú)線(xiàn)充電系統。本文則主要講解了無(wú)線(xiàn)充電系統中線(xiàn)圈設計需要考量的因素。
我們都聽(tīng)說(shuō)過(guò)TI、凌力爾特、IDT、東芝等許許多多公司為無(wú)線(xiàn)電力傳輸這個(gè)快速增長(cháng)的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)電力發(fā)射器/接收器IC。一個(gè)經(jīng)常被忽視但不管怎樣都是無(wú)線(xiàn)電力傳輸解決方案中的關(guān)鍵元件是發(fā)射/接收天線(xiàn)線(xiàn)圈。設計人員可以設計他們自己的線(xiàn)圈，但有兩家非常杰出而且能力最強的公司，他們專(zhuān)門(mén)為用戶(hù)設計各種各樣這方面的線(xiàn)圈。
在今年的DesignCon2015展會(huì )上，筆者參觀(guān)了WürthElektronik公司展臺，對這家公司在無(wú)線(xiàn)充電和發(fā)射線(xiàn)圈方面所涉及的設計深度驚嘆不已。
首先，我非?？春孟鬅o(wú)線(xiàn)電力傳輸這種覆蓋范圍廣泛的技術(shù)所遵循的標準和互操作性。WürthElektronikeiSos(無(wú)源和機械元器件)公司是WPC無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟和A4WP(也稱(chēng)為Rezence)無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟的成員。為了進(jìn)一步鞏固和統一標準，A4WP已經(jīng)同意與PMA無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(PMA)合并。這將有助于這個(gè)行業(yè)采用一個(gè)通用的標準，并有望在不遠的將來(lái)WPC也采用同樣的標準。
對設計人員來(lái)說(shuō)接下來(lái)最重要的是獲得性能良好的演示板。WürthElektronikeiSos公司有一個(gè)5W的設計套件，該套件采用最優(yōu)化的元件，可以滿(mǎn)足Qi標準。設計人員就是需要類(lèi)似這樣的工具，以便減輕他們的設計負擔，加快產(chǎn)品上市。Digi-Key在他們的網(wǎng)站上提供這個(gè)套件。Mouser公司在他們的網(wǎng)站上也有這個(gè)套件出售。
圖2：有各種線(xiàn)圈尺寸和形狀可供設計人員設計時(shí)選用。表1列出了這個(gè)套件中提供的各種尺寸。
表1，5W演示套件中提供的各種無(wú)線(xiàn)電力線(xiàn)圈。
無(wú)線(xiàn)電力傳輸的原理
圖3：無(wú)線(xiàn)電力傳輸的原理
NuCurrent線(xiàn)圈
NuCurrent公司有一種無(wú)線(xiàn)充電天線(xiàn)技術(shù)可以兼容A4WP、Qi和PMA標準。用戶(hù)使用該公司的解決方案后無(wú)需過(guò)多的考慮標準問(wèn)題，因為這些解決方案對標準問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化。通過(guò)使用他們的多模解決方案，接收線(xiàn)圈可以與包括Qi、PMA和A4WP在內的各種發(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認證產(chǎn)品和WPC標準天線(xiàn)實(shí)現車(chē)載充電(即將手機放在汽車(chē)中央扶手上進(jìn)行充電)。NuCurrent公司還宣布了戰略性合作伙伴和來(lái)自Molex的投資，其產(chǎn)品被選擇作為博通和宜普等其它無(wú)線(xiàn)充電行業(yè)領(lǐng)先公司開(kāi)發(fā)的系統中的參考天線(xiàn)。
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(kāi)發(fā)生產(chǎn)堅固耐用的高速大功率eGaNMOSFET，這些器件適合用作無(wú)線(xiàn)充電線(xiàn)圈的大功率驅動(dòng)器，而且宜普的應用工程人員是一個(gè)極具才能的團體。
因此，筆者專(zhuān)門(mén)對發(fā)明印刷線(xiàn)圈技術(shù)的這家設計公司進(jìn)行了調查，并于最近采訪(fǎng)了公司的首席執行官JacobBabcock。NuCurrent線(xiàn)圈有何不同？Babcock告訴說(shuō)，這些線(xiàn)圈具有市場(chǎng)上最高的品質(zhì)因數。
什么是品質(zhì)因數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(xiàn)圈來(lái)說(shuō)，其電感L和電阻R的比值保持不變。為了區別不同的線(xiàn)圈結構，將這個(gè)比值定義為品質(zhì)因數Q是有意義的。
電感中同一電流感應的電壓隨頻率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。根據這個(gè)定義，可以推導出一個(gè)線(xiàn)圈的品質(zhì)因數：
Q=ωL/R
其中ω=2πf:
品質(zhì)因數Q的取值范圍是0到無(wú)窮大，雖然對線(xiàn)圈來(lái)說(shuō)很難獲得遠大于1000的值。對于批量產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可以期待的品質(zhì)因數大約是100左右。低于10的品質(zhì)因數就不是很有用了。這些值必須按典型的數量級加以考慮。
對于固定的工作頻率來(lái)說(shuō)，品質(zhì)因數Q主要取決于線(xiàn)圈的形狀和尺寸以及所用的材料。標準線(xiàn)圈技術(shù)(比如線(xiàn)繞線(xiàn)圈、PCB線(xiàn)圈)一般都規定有品質(zhì)因數值。
與傳統的無(wú)線(xiàn)充電天線(xiàn)相比，NuCurrent器件體積更小，可以延長(cháng)電池壽命，覆蓋更遠的距離，并具有更低的發(fā)熱量，對準的靈活性也更強。
WPC和A4WP使用的兩個(gè)最常用的天線(xiàn)頻率分別是150kHz和6.78MHz。
在低頻(Qi兼容)下，系統通常工作在大約2cm的較近距離，印刷線(xiàn)圈的好處在于耐用性、靈活性、可擴展性，并且方便集成。
在較高頻率(A4WP兼容)下，潛在好處是更遠的電力傳輸距離、更好的方向靈活性和更小的尺寸。這種天線(xiàn)在這里被稱(chēng)為“諧振器”，憑借它們的小型尺寸和低廉價(jià)格，它們可以提供可能最好的Q值，因為它們有助于將設計實(shí)現到像PCB和柔性電路等標準制造工藝中。
線(xiàn)圈技術(shù)的兩大突破
Babcock告訴說(shuō)，是兩大根本性突破才使得他的技術(shù)得以浮出無(wú)線(xiàn)電力傳輸領(lǐng)域水面。他的第一項努力成果是無(wú)線(xiàn)充電植入器。
一個(gè)是固有的“趨膚效應”，另一個(gè)是“接近效應”。
高頻“趨膚效應”和“接近效應”在Babcock的無(wú)線(xiàn)充電植入設計中是很突出的兩個(gè)問(wèn)題。他對如何最大程度地減小這些效應進(jìn)行了研究，發(fā)現如果導線(xiàn)中的電流被分流到多條更小直徑的導線(xiàn)上，可以顯著(zhù)減小電阻，效率也比其它印刷方法和磁性導線(xiàn)要高得多。從某種程度上，這就像在堅固的、可擴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(xiàn)。
效率
效率與具體應用有關(guān)，但總的來(lái)說(shuō)，NuCurrent公司的電感效率在高頻(1MHz+)時(shí)比其它任何種類(lèi)的電感都要高。它們的Q值在150KHz和6.78MHz時(shí)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(shí)在導線(xiàn)中發(fā)生的典型高頻“趨膚效應”。他們的設計提供更多的表面積供電流流動(dòng)，因此可以幫助設計人員實(shí)現更高的效率、更小的尺寸、更好的耐用性和更低的成本。
NuCurrent公司的設計工具和私有算法采用多層(ML)導線(xiàn)技術(shù)，可以將設計轉換為具有比大多數其它解決方案更低電阻和更高Q值的電感性結構。這些設計支持FR-4或柔性聚酰亞胺上實(shí)現不同形狀的多層多匝數(MLMT)導線(xiàn)。
NuCurrent結構從單位1到1000表現得更加一致；在惡劣環(huán)境中更具魯棒性；在大批量時(shí)具有更高的成本效益；無(wú)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部，比如衣柜、餐桌等)。
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