为无线电源体系规划一款契合Qi规范的接收机线圈

无线充电联盟 (WPC) Qi 规范的施行让各种终端运用具有了无线充电功用。每一种运用的接收机 (Rx) 线圈的尺度和/或功率要求或许会不同。要想完成一种成功、高效的 Qi 规范 Rx 规划，Rx 线圈是一个要害组件。别的，咱们还有许多规划办法和平衡折中需求考虑。因而，在施行某个处理计划时，规划人员有必要慎重挑选办法，而且有条有理地进行规划。本文将详细评论完成一种成功的 Rx 线圈规划所要处理的一些技能问题。文章触及根本变压器的 Qi 规范体系模型、Rx 线圈丈量与体系级影响，以及查看某个规划是否能够成功运转的一些办法。咱们假定，本文读者已把握 Qi 规范电感式电源体系的根底知识。如欲了解布景资料，敬请参看《参阅文献 2》。

关于许多近场无线电源体系（如 WPC 规则的无线电源体系）而言，运用一个简略的变压器，便能够对磁电力传输行为建模。传统变压器一般为单一物理结构，两个绕组环绕一个磁芯资料，且磁芯导磁性远高于空气（图 1）。因为传统变压器运用高导磁性资料来传输磁通量，因而一个线圈所发生的大部分（并非悉数）磁通量与另一个线圈耦合。耦合程度能够经过一个被称作耦合系数的参数来测定，其以k（取值规模为 0 到 1）来标明。

3 个参数界说一个双线圈变压器：

L₁₁ 为线圈 1 的自电感。

L₂₂ 为线圈 2 的自电感。

L₁₂ 为线圈 1 和 2 的互感。

两个线圈之间的耦合系数能够标明为：

那么，运用图 2 所示耦合电感器，便能够对抱负变压器建模。

运用该电感器的电压和电流联系，便可得到该双线圈变压器的波节方程式：

为了便利进行电路剖析，图 2 所示模型能够悬臂模型常用称号来标明，如图 3所示。此处的磁耦合和互感，被简化为漏电感和磁化电感。这样，经过一个电路完成，咱们便能够了解这种耦合的物理性质。就抱负变压器而言，咱们能够运用下列方程式核算出其匝数比：

在强耦合体系中，漏电感占磁化电感的百分比很小，因而在求一次近似值时，该参数能够忽略不计。除高耦合外，Qi 规范体系中运用的串联谐振电容也会下降漏电感的影响。所以，主线圈到次线圈的电压增益的一次近似值为：

Qi 规范体系的变压器由两个独立物理器材组成：发射器 (Tx) 和接收机 (Rx)，而且各自有一个阻隔的线圈。当 Tx 和 Rx 彼此挨近放置时，它们会构成一种耦合电感联系，其能够简略地被建模为一个运用空气磁芯的双线圈变压器（请拜见图 4）。两头的屏蔽资料起到一个磁通短路的效果。这让磁场线（磁通量）存在于两个线圈之间。图 5 显现了典型运转期间磁场线的 2D 仿真状况。

就典型 Qi 规范体系而言，耦合系数 (k) 要比运用传统变压器的状况低得多。传统变压器的耦合系数规模为 0.95 到 0.99。例如，95% 到 99% 磁通量耦合至次级线圈；可是，关于 Qi 规范体系来说，耦合系数规模为 0.2 到 0.7，也即20% 到 70%。大多数状况下，Qi 规范往往会在 Tx 和 Rx 上运用一个串联谐振电容，以缓解这种低耦合度问题。这种电容能够对谐振漏电感进行补偿。

在某些 Rx IC 中，动态控制整流器的方针电压随输出电流改动而改动。因为整流器输出指示变压器需求的电压增益，因而除输出负载或许输出功率需求以外，有必要考虑整流器的最高输出电压。如图 6 所示，1A 负载时，整流器输出规模为 ~7 到 5 V，这便决议了变压器所要求的电压增益。在依据 WPC 规范（拜见本文后边的“Rx 线圈微调”末节）进行微调时，需确保 Rx 线圈能够到达 Rx %&&&&&% 所需电压水平，这一点很重要。

图 7 所示流程图描绘了规则一个新的 Rx 线圈的主张办法。这种规划流程约束了屏蔽资料、线材规范和匝数。接下来，咱们将逐个详细评论。

屏蔽资料有两个首要功用：（1）为磁通量供给一条低阻抗通路，这样能够影响周围金属物体的能量线便极端少；（2）运用更少的匝数来完成更高电感的线圈，这样便不会发生过高的电阻（匝数越多，电阻越高）。

咱们能够运用能够吸收很多磁通量的厚屏蔽资料（它们具有高通量饱满点），以避免 Rx 线圈后边的资料发热。当遇到有校准磁体的 Tx 或许 Rx 时，比较细薄的屏蔽资料，厚屏蔽资料的功率不易受到影响而下降。（这种影响的概况，请拜见本文后边的“Rx 线圈电感丈量”末节）各大厂商（例如：威世（Vishay）、TDK、松下、EE、Elytone和Mingstar）供给的典型资料，均能够协助最小化功率下降。请注意，高导磁铁氧体资料（例如：铁粉等），并非一直都好于有隙散布资料。虽然铁氧体资料具有高导磁性，可是在屏蔽资料厚度减小时其通量饱满点较低。咱们有必要慎重考虑这一要素。

权衡本钱和功能，挑选相应的 Rx 线圈线材规范。大直径线材或许双股线材（两条平行线）具有高功率，但价格更高，而且会带来粗Rx线圈规划。例如，PCB 线圈或许在全体本钱方面愈加廉价，但比较双股线，它会发生更高的等效串联电阻。

一旦选定了线材和屏蔽资料，匝数便确认Rx线圈电感的巨细。线圈电感和耦合决议 Rx 整流器输出的电压增益，以及Rx的总有用功率。图 6 显现了该电压增益方针。

确认电感方针的一般办法过程如下：

1、Tx 的 A1 型线圈运用作主线圈特性的根底（例如，面积为 1500mm²，电感为 24-µH，初级电压为 19V）。

2、当所用屏蔽资料的导磁性远大于空气（>20）时，线圈面积便能够很好地标明耦合系数。请注意，这种状况仅适用于单层或许双层线匝的平面线圈。特别线圈结构不适用该准则。为了确保合理的耦合和高功率，一个 5W 体系时，Rx线圈的线圈面积约为 A1 线圈的 70% 到 80%。这样能够确保大多数合理规划具有约 50% 的耦合系数，而且 Tx 和 Rx 线圈之间的间隔 d_z 到达 WPC 规则的 5mm。

3、依据均匀估计整流器电压确认抱负电压增益—例如：图 6 所示曲线图中的 6V。本例中，电压增益为 ~0.32 (6 V/19 V)。

5-V/5-W 输出电压体系的典型规划标明，耦合系数为 0.5 左右时，约10 µH 的二次电感便足以发生要求的方针电压。体系规划中，咱们需求考虑两种联系：

因而，假如耦合系数从 0.5 变为 0.4，相同功率输出的电感会添加至从前电感的1.6 倍。这就意味着新电感为 ~16 µH。如方程式 5b 所示，线圈电感与匝数与比例联系。

表 1 列出了专为该体系规划的某些常见线圈的二次电感和耦合系数。

请注意，这些经历规律适用于一般平面线圈，首要用作规划入门。实践规划可运用仿真东西取得最抱负的优化，如图 7 中流程图所示。

Rx线圈电感是一个十分重要的参数，它标明晰 Rx AC/DC 功率级的电气呼应（例如：电压增益和输出阻抗等）。要想保持一致的呼应，不同体系计划中电感的改动有必要最小。因为 Qi 规范的通用性，Rx 线圈能够放置在不同类型的 Tx上，而这或许会影响 Rx 线圈电感——然后影响电气呼应。

依据 WPC 规范的 4.2.2.1 末节内容，可运用图 8 所示测验装备结构，对 Rx线圈电感 L′_S 进行丈量。阻隔垫片和 Tx 屏蔽资料为模仿 Rx 线圈周围的 Tx 组件供给了参阅。在这种测验装备结构中，Tx 屏蔽为 TDK 公司的 50 × 50 × 1-mm 铁氧体资料（PC44）。运用非金属阻隔垫片，使空隙 d_Z 到达 3.4 mm。然后，将 Rx 线圈放置在该垫片上，运用 1-V RMS 和 100 kHz 丈量 L′_S。别的，在没有 Tx 屏蔽的状况下，可对无空隙 Rx 线圈电感 Ls 进行丈量。

WPC 规范并未详细阐明常见体系计划对 L′_S 和 Ls 丈量的影响。对这些参数最为常见的影响是在 Rx 线圈背面有一颗电池。因为封装资料和电池的结构问题，当在其背面放置电池时，Rx线圈电感一般会下降。除电池以外，Tx 线圈结构中磁体的存在，也会对电感发生影响。（拜见 WPC 规范¹的 3.2.1.1.4 末节内容）该磁体相当于一个 Rx 线圈屏蔽资料的压力源，其间，屏蔽资料的磁性饱满点是一个要害参数。假如磁体存在时Rx线圈屏蔽资料饱满，则线圈电感急剧下降。因为 Qi 规范对有磁体和无磁体 Tx 线圈组件都进行了规则，因而规划人员需求知道两种状况下电感的改动，因而电感的任何改动都会改动 Rx 的谐振微调。请注意，图 8 所示测验装备结构并没有包含磁体。当包含某个磁体时，其磁通量密度应介于 75 和 150 mT 之间，而其通径应为最大值 15.5 mm。这就意味着，电力传输时 Tx 线圈的典型 30-mT 磁场，约为该磁体磁场强度的 20%。

为了便利了解 Rx 线圈电感的功能，除 L′_S 和 Ls 主张丈量办法以外，表 2 还对其他参数进行了界说阐明。当丈量触及电池时，电池的放置应与其在终究体系中的方向/方位相同。请注意，终究工业规划中所运用的资料也或许会影响终究电感丈量成果。因而，当对调谐电路进行装备时，终究丈量应运用终究移动设备工业规划的一切组件。表 1 所列丈量用于屏蔽和验证或许的 Rx 线圈。

表 3 总结了一个可承受型线圈规划的测得电感，以及运用固定串联和并联谐振电容的谐振频率。这儿，L′_S_b 用于电容核算。（概况拜见下一末节“Rx 线圈调谐”。）请注意，它们或许会以L′_S的百分比线性改动，并可用作原型线圈检验的一种参阅。

简化版 Rx 线圈网络由一个串联谐振电容 C₁ 和一个并联谐振电容 C₂ 组成。这两个电容组成了一个运用 Rx 线圈的双谐振电路（拜见图 9），其巨细尺度有必要依据 WPC 规范来正确挑选。

若想核算 C₁，L′_S 时，谐振频率需为 100 kHz：

若要核算 C₂，Ls 时，次级谐振频率需为 1.0 MHz。核算要求首要确认 C₁，然后代入方程式 7 核算：

最终，品质因数有必要大于 77，其核算办法如下：

其间，R 为线圈的 DC 电阻。

在挑选某个 Rx 线圈时，规划人员需求经过负载线剖析（I-V 曲线）比较主级线圈和 Rx 线圈，然后了解变压器特性。这种剖析可取得 Qi 规范体系的两个重要条件：（1）作业点特性；（2）瞬态呼应。咱们将在后边详细评论。

图 10 显现了负载线剖析的一个测验装备比如，其参数界说如下：

V_IN 为一个 AC 电源，其具有 19V 峰值到峰值运转才能。

C_P 为主级串联谐振电容（A1 型线圈为 100 nF）。

L_P 为主级线圈（ A1 型）。

L_S 为次级线圈。

C₁ 为受测 Rx 线圈所用串联谐振电容。

C₂ 为受测 Rx 线圈所用并联谐振电容。

C_B 为二极管桥接的大容量%&&&&&%。25V 时，C_B 应至少为 10 µF。

V 为开尔文衔接电压表。

A 为串联安培计。

R_L 为相关负载。

二极管桥接应由全桥或许同步半桥肖特基二极管以及低侧 n 型 MOSFET 和高侧肖特基构成。剖析共有三个测验程序：

1、向 L_P 供给 19V AC 信号，开端频率为 200kHz。

2、从无负载到估计全负载规模，对所得整流电压进行丈量。

3、下降频率，不断重复前两个过程，频率降至 110kHz 时中止。

图 11 显现了一个负载线剖析举例。该图标明，不同的负载和整流器条件，发生不同的作业频率。例如，1A 时，动态整流器方针为 5.15V。因而，作业频率介于 150kHz 和 160kHz 之间，其为一个能够承受的作业点。假如该作业点超出WPC 规则的 110 到 205 kHz 频率规模，则体系无法收敛，并会变得不稳定。

进行瞬态剖析时，有两个重要的点，如图 11 所示：（1）谐振频率（175kHz）下的整流器电压；（2）稳定作业点时从无负载到全负载的整流器电压下降。

本例中，谐振电压为 ~5 V，其高于芯片的 V_UVLO。因而，能够确保 Qi 规范体系的发动。假如该频率下电压挨近或许低于 V_UVLO，则或许无法发动。

假如最大负载步进为 1A，则图 11 中，140-kHz 负载线状况下，电压为 6V 时，本例的压降为 ~1 V。要对这种压降进行剖析，无负载时 7V 发动的 140-kHz 负载线，需到达估计最大负载电流要求。压降为负载线两头电压之差。选定作业频率下能够承受的全负载电压应高于 5V。假如低于 5V，电源输出也会降至这一水平。因为 Qi 规范体系的反应呼应较慢，因而进行这种瞬态呼应剖析是必要的。这种剖析，能够模仿体系未对谐振变压器作业点进行调节时或许呈现的瞬态特性。

请注意，主级线圈和次级线圈之间的耦合，会因 Rx 线圈对准差错而变得糟糕。因而，咱们主张，在存在多种对准差错的状况下对负载线进行屡次剖析，以确认平面空间中 Rx 是否会中止运转。

本文阐明晰咱们能够运用传统的变压器根本原理，简化无线充电体系的 Tx 线圈规划。可是，通用性和移动设备的特性，也使规范磁学规划办法呈现一些共同的改动。仔细阅览和了解前面咱们介绍的线圈规划内容，能够添加您一次成功的机率。咱们介绍的一些评价办法，能够让您十分有条理地规则和描绘一种定制 Rx 线圈。

1、无线充电联盟，《体系描绘无线电力传输，卷1，第 1 部分》2012 年 3 月1.1 版（在线），下载地址：

http://www.wirelesspowerconsortium.com/downloads/wireless-power-specification-part-1.html

2、《无线充电联盟规范与 TI 兼容处理计划介绍》，作者：Bill Johns http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhct117/zhct117.pdf