【導(dǎo)讀】很多的無線電力傳輸公司都在為這個快速增長的網(wǎng)絡(luò)市場開發(fā)出應(yīng)廣大用戶需求的無線電力發(fā)射器和接收器IC。然而設(shè)計(jì)無線電力系統(tǒng)最關(guān)鍵的因素卻是——發(fā)射/接收天線線圈。只有設(shè)計(jì)出線圈才能設(shè)計(jì)出最完善的無線充電系統(tǒng)。本文則主要講解了無線充電系統(tǒng)中線圈設(shè)計(jì)需要考量的因素。
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(jì)人員可以設(shè)計(jì)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(jì)各種各樣這方面的線圈。
在今年的DesignCon2015展會上，筆者參觀了WürthElektronik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(jì)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。WürthElektronikeiSos(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(jì)人員來說接下來最重要的是獲得性能良好的演示板。WürthElektronikeiSos公司有一個5W的設(shè)計(jì)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(jì)人員就是需要類似這樣的工具，以便減輕他們的設(shè)計(jì)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2：有各種線圈尺寸和形狀可供設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)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?br />
圖3：無線電力傳輸?shù)脑?/div>
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?yàn)檫@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(jiān)固耐用的高速大功率eGaNMOSFET，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(jì)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JacobBabcock。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?yàn)樗鼈冇兄趯⒃O(shè)計(jì)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(xiàng)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(jì)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(jiān)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(jì)提供更多的表面積供電流流動，因此可以幫助設(shè)計(jì)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(jì)工具和私有算法采用多層(ML)導(dǎo)線技術(shù)，可以將設(shè)計(jì)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(jì)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。
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深度剖析無線充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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?yàn)檫@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(jiān)固耐用的高速大功率eGaNMOSFET，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(jì)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JacobBabcock。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。
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?yàn)樗鼈冇兄趯⒃O(shè)計(jì)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(xiàng)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(jì)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(jiān)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(jì)提供更多的表面積供電流流動，因此可以幫助設(shè)計(jì)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(jì)工具和私有算法采用多層(ML)導(dǎo)線技術(shù)，可以將設(shè)計(jì)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(jì)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)。
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盤點(diǎn)：全新的無線充電模式，發(fā)展?jié)摿Τ跸胂?/a>
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