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无线充电

无线充电系统的设计关键要考虑效率、自由度、可靠性三大因素。效率方面主要考虑充电速度、器件的温升控制。自由度涉及到线圈尺寸和厚度、充电自由度、发射和接受的兼容性。可靠性涉及EMI、异物检测。

线圈、磁性材料、芯片是组成无线充电系统的三大要素,对于无线充电的性能和成本起主导作用,此外模组制造工艺也会对性能产生较大影响。

接收端芯片已经有三代架构,包括单模Qi为主、双模和第三代自由充电技术。

充电线圈:WPC密绕线圈、FPC线圈和MEPQF扁平线圈三种,三种都在发展,成本低、厚度薄是主要趋势。

磁性材料:铁氧体、非晶、纳米晶。厚度非常重要,磁损耗是重要指标。根据终端不同需求和成本要求,三种都有市场。模组制造工艺对性能影响也很大,不同工艺对无线充电模组性能影响很大,需要产业链厂商配合把无线充电体验做到极致9

无线能量传输需要三大要素,各个要素之间相互制约9

  • 效率:充电速度、器件的温升控制。效率越高意味着无线传递的能量越高,充电速度越快。同时,效率跟热的管理相关,这一点在手机端表现得更为明显,手机能承受的温度上升非常有限,因此效率对于无线充电非常重要。
  • 自由度:线圈尺寸和厚度、充电自由度、发射和接受的兼容性。很多消费者使用无线充电为的是自由度,这是无线充电的“长板”。如何不断提高无线充电的自由度是未来芯片、方案及产品设计厂商需要考虑的方向,因此线圈设计很关键,包括发射端、接收端的大小设计、水平面、垂直距离上充电电池的面积大小设计等问题都很重要,无线充电的真正体验应是在不断变幻的公共场所而不是室内。
  • 可靠性:EMI、异物检测。产品匹配无线充电功能后不能干扰已有功能,安全性需要保障,因此需要经过金属异物的检测。

线圈、磁性材料、芯片的损耗和频率响应不一样,成本和功耗都不同。线圈方面,做设计时重要的是要考虑到线的AC阻抗和DC阻抗, AC阻抗可能会是DC阻抗的两倍以上。芯片方面则更加复杂,需要考虑发射端和接收端等情况,存在导通损耗、开关损耗、检测损耗等。芯片方面,我们认为无论是在发射端还是接收端,以下要素都非常重要:

  • 集成度:集成度高则开关损耗、EMI都会降低,整个电流回路会变小。
  • 尽量降低检测损耗。

充电线圈

典型的线圈结构是一种在屏蔽层上用铜线制成的圆形平面线圈。替代配置是PCB或柔性电路线圈,通常情况下,这些替代物可能有更高的直流(DC)电阻(更低的效率),但会非常纤薄,该特性很适合小型低功耗应用12

屏蔽层可阻止交流电磁场进入电子器件和电池,这也可提高线圈的性能。

假设Rx线圈和Tx线圈在x-y平面上对齐,那么有两个关键因素可确定耦合系数k:

  • 线圈到线圈的距离
  • 两个线圈直径的比例。

当两个线圈距离较近且直径相匹配时,将产生最佳耦合。为确保两个线圈从一开始就能在x-y平面上紧密对齐,可穿戴设备充电底座或支架的机械设计应包括有助于将设备妥善放置在支架中的物理方法。

Rx线圈和Tx线圈之间的轻微失准可能导致耦合系数显著降低且功率传输效率很差。在耦合电感器系统(如WPC/Qi)中,一次线圈和二次线圈间的耦合系数(k)通常为0.5~0.7。

当耦合系数很低时,在二次侧需要较高的电感值,以确保输出功率的需求能得到满足。因此,那些可能具有低耦合的小型低功率设备,实际上比标准的5W设计需要更高的二次绕组电感,可能需要具有更多匝数、更大屏蔽层的较高电感的接收端线圈,才能达到所需的电压增益。

接收端线圈尺寸的设计权衡因素包括线圈导线直径、屏蔽层尺寸和厚度。

线圈直流电阻会使接收端效率降低。

接收端线圈设计需要具体的匝数,以获得所需的电感。

由于耦合系数降低,小线圈所需的电感会比大线圈高。为了在较小空间内达到较高的电感值,匝数会增加,导线直径会减小。更细的导线和更多的匝数带来的合并效应,将迫使直流电阻升高并降低效率。屏蔽层能提供低阻抗的磁通路径,并能增加线圈的电感。此外,屏蔽层还能阻止交流电磁场进入电池和接收端周围的金属体。更大、更厚的屏蔽层比较好,因为较薄的屏蔽层将遭遇高通量磁场饱和的风险。发射器线圈设计的物理限制较少。线圈可以更大,并且其电感可以更低。

无线充电线圈设计基本步骤如下10

  • 确定需要无线充电器接收。
  • 了解物理设计的局限性:线圈的XY和Z尺寸限制;估计接口间隙。
  • 选择下列参数:负载所需要的功率;预期的Tx和Rx线圈之间的耦合系数;Rx线圈允许的空间。
  • 利用电路对于接受定位最好情况运行模拟。
  • 显示负载线曲线,判断曲线是否可接受。
  • 创建一个可以发送到磁性元件供应商的接收线圈特性规范;创建Rx用户BOM。
  • 在一个由TI指定的测试仪上构建和测试原型。
  • 线圈设计结束。

电感计算

平面螺线线圈电感计算如下所示15

image-20210704222855360

该线圈是不带隔磁片或者铁氧体的感量。

Coil inner diameter (Di):
Number of turns (N):
Wire Diameter (w):
Spacing between turns (s):


Inductance (L):
Outer diameter (Dout):
Wire lenght (Wl):

Formula used in this calculation is based on the Harold A. Wheeler approximations1718.

wheeler_formula

wheeler_A

where:

Di =inner diameter in inches.

s =distance between windings in inches.

w =wire diameter in inches.

N = number of turns.

Do =outer diameter.

1 inch = 0,0254m=2,54cm = 25,4mm.

This formula applies at 'low' frequencies (<30MHz) ) using enameled copper wire. Some people call it "magnet wire".

立体螺线线圈电感计算如下所示16

image-20210704222952255

直径D [毫米]
直径w [毫米]
间距 s [毫米]
圈数 n  
电感量L [uH]  
高度 H [毫米]  

磁性材料

交感电磁场遇到金属,则会产品涡流,涡流会对金属产生趋肤效应,在金属上产生热能,降低了充电效率,浪费电能。且对线路主板干扰而影响整个充电器正常工作。用铁氧体片(厚度0.4~0.6MM),磁导率最高可达800,通过高磁通量,给交感磁场提供回路,可以提高效率10

屏蔽材料有两个主要功能:

  • 为磁通量提供一条低阻抗通路,这样能够影响周围金属物体的能量线便极其少。
  • 使用更少的匝数来实现更高电感的线圈,以减少线圈电阻(线圈匝数越多,电阻越高)。可以使用能够吸收大量磁通量的厚屏蔽材料(它们拥有高通量饱和点),以防止Rx线圈后面的材料发热。当遇到有校准磁体的Tx或者Rx时,相比细薄的屏蔽材料,厚屏蔽材料的效率不易受到影响而降低。

软磁屏蔽材料在无线充电中的作用11

  • 隔磁屏蔽:为磁通量提供一条低阻抗通路,降低向外散发的磁力线,减少对周围金属物体的影响,防止产生涡流和信号干扰。
  • 导磁降阻:提高耦合系数,提升磁电转换效率,使用更少的匝数来实现更高电感的线圈,降低线圈电阻,减少发热带来的效率降低(匝数越多,电阻越高)。

纳米晶和钴基非晶、铁氧体相比,它具有饱和磁感高,可以减少磁性器件体积。磁导率高,损耗小,矫顽力小,可以降低磁性器件损耗,因此,纳米晶合金是高频电力电子应用中的最佳软磁材料11

铁基纳米晶材料主要成份为铁、硅、硼、铜、铌,首先通过快速急冷技术,使高温熔融的钢水快速冷却,由于急速冷却使得晶粒来不及形成,从而形成非晶态的带材。随后通过纳米晶化热处理技术获得纳米晶磁芯1

纳米晶在无线充电方面的优势:

  • QI标准的频率在100~200k之间,纳米晶磁导率较高,而损耗明显低于铁基非晶和铁氧体。高磁导率可以提高电感量,从而减少绕线匝数,降低线圈尺寸(长宽或者直径和厚度)。
  • 纳米晶应用温度高,在-40°~+150°,稳定性优于铁氧体。在-40℃~150℃范围内,温度变化引起的磁导率变化量在±10%以内。随着时间的推移几乎没有变化。
  • 纳米晶可以定向控制磁导率和抗饱和磁场。纳米晶的磁导率可在1000-30000内随意可调。饱和磁通密度和磁导率都高(高磁导率,高饱和磁通密度)具有高饱和磁感应强度,可以缩减整体器件的体积。磁性材料的设计,要求在特定的工作电流下,不要达到磁饱和,一旦达到磁饱和,就会停止工作,纳米晶可调抗饱和磁场可达30~350A/m,使得无线充电的应用范围更宽。
  • 低矫顽力可以提高效率降低磁滞损耗8
  • 低铁损,由于铁损是Fe基非晶的1/5以下,与Co基非晶的铁损相同,因此可以实现节能。
  • 低磁致伸缩系数,由于磁致伸缩小,因此加工时的应力引起的特性恶化少,也可以降低输入可听频率成分时的噪声2

纳米晶屏蔽层厚度可做到14~22um,带材越薄损耗越低,减薄的同时降低温升。一般20-22um。模拟真实场景,在同等条件下进行对比测试,采用不同厚度的纳米晶导磁片和不同磁导率、不同厚度的铁氧体做了充电效率比较。随着厚度的增加,充电效率在不断提升,但纳米晶不是越厚越好,到0.1mm时基本饱和,因此,在设计无线充电模块时,纳米晶导磁片不需要做的太厚,会增加材料成本。铁氧体的规律与纳米晶类似,磁导率越高,充电效率越高,厚度越厚,充电效率也越高,但在同等充电效率下,纳米晶磁片的厚度仅为铁氧体的一半11

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以日立的磁屏蔽膜为例,如图二所示,整体结构为两层PET膜夹一层18um厚度的纳米晶薄膜,整体厚度约为0.12mm34

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其屏蔽效果相比其他材料如下图所示。

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日立金属的各种软磁材料的磁导率如下图所示256

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King Magnetics的高性能纳米晶磁性性能如下表所示。

| 特性说明 | 名称 | 值 | | :------------------------------------------- | ---- | ------------- | | 饱和磁感应强度 Saturation induction | Bs | ≤1.25 T | | 饱和磁致伸缩系数 Saturation magnetostriction | λs | $≤2×10^6$ | | 居里温度 Curie temperature | Tc | $≤560^°C$ | | 晶化温度 Crystallization temperature | Tx | $≤510^°C$ | | 带材厚度 Ribbon thickness | t | 18um~25um | | 密度 Density | d | $7.25g/cm^3$ | | 电阻率 Resistivity | ρ | 115 μΩ*cm | | 维氏硬度 Vicker’s Hardness | Hv | $880 kg/mm^2$ |

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仿真7

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Reference