为无线电源系统设计一款符合 Qi 标准的接收机线圈

概述

无线充电联盟 (WPC) Qi 标准的实施让各种终端应用拥有了无线充电功能。每一种应用的接收机 (Rx) 线圈的尺寸和/或功率要求可能会不同。要想实现一种成功、高效的 Qi 标准 Rx 设计，Rx 线圈是一个关键组件。另外，我们还有许多设计方法和平衡折中需要考虑。因此，在实施某个解决方案时，设计人员必须谨慎选择方法，并且有条不紊地进行设计。本文将详细讨论实现一种成功的 Rx 线圈设计所要解决的一些技术问题。文章涉及基本变压器的 Qi 标准系统模型、Rx 线圈测量与系统级影响，以及检查某个设计是否能够成功运行的一些方法。我们假设，本文读者已掌握 Qi 标准电感式电源系统的基础知识。如欲了解背景资料，敬请参阅《参考文献 2》。

变压器 Qi 标准系统

对于许多近场无线电源系统(如 WPC 规定的无线电源系统)而言，使用一个简单的变压器，便可以对磁电力传输行为建模。传统变压器通常为单一物理结构，两个绕组缠绕一个磁芯材料，且磁芯导磁性远高于空气(图 1)。由于传统变压器使用高导磁性材料来传输磁通量，因此一个线圈所产生的大部分(并非全部)磁通量与另一个线圈耦合。耦合程度可以通过一个被称作耦合系数的参数来测定，其以k(取值范围为 0 到 1)来表示。

图 1 一个物理结构的传统变压器

3 个参数定义一个双线圈变压器：

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可以表示为：

那么，利用图 2 所示耦合电感器，便可以对理想变压器建模。

利用该电感器的电压和电流关系，便可得到该双线圈变压器的波节方程式：

为了方便进行电路分析，图 2 所示模型可以悬臂模型常用名称来表示，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，通过一个电路实现，我们便可以理解这种耦合的物理性质。就理想变压器而言，我们可以使用下列方程式计算出其匝数比：

图 2 传统变压器的理想模型

图 3 传统变压器的悬臂模型

在强耦合系统中，漏电感占磁化电感的百分比很小，因此在求一次近似值时，该参数可以忽略不计。除高耦合外，Qi 标准系统中使用的串联谐振电容也会降低漏电感的影响。所以，主线圈到次线圈的电压增益的一次近似值为：

Qi 标准系统的变压器由两个独立物理器件组成：发射器 (Tx) 和接收机 (Rx)，并且各自有一个隔离的线圈。当 Tx 和 Rx 相互靠近放置时，它们会形成一种耦合电感关系，其可以简单地被建模为一个使用空气磁芯的双线圈变压器(请参见图 4)。两端的屏蔽材料起到一个磁通短路的作用。这让磁场线(磁通量)存在于两个线圈之间。图 5 显示了典型运行期间磁场线的 2D 仿真情况。

图 4 使用一个空气磁芯的简易电感耦合变压器

图 5 两个相互耦合线圈之间的磁场线举例

就典型 Qi 标准系统而言，耦合系数 (k) 要比使用传统变压器的情况低得多。传统变压器的耦合系数范围为 0.95 到 0.99。例如，95% 到 99% 磁通量耦合至次级线圈;但是，对于 Qi 标准系统来说，耦合系数范围为 0.2 到 0.7，也即20% 到 70%。大多数情况下，Qi 标准往往会在 Tx 和 Rx 上使用一个串联谐振电容，以缓解这种低耦合度问题。这种电容可以对谐振漏电感进行补偿。

Rx 线圈的电气需求

在某些 Rx IC 中，动态控制整流器的目标电压随输出电流变化而变化。由于整流器输出指示变压器需要的电压增益，因此除输出负载或者输出功率需求以外，必须考虑整流器的最高输出电压。如图 6 所示，1A 负载时，整流器输出范围为 ~7 到 5 V，这便决定了变压器所要求的电压增益。在根据 WPC 规范(参见本文后面的“Rx 线圈微调”小节)进行微调时，需确保 Rx 线圈可以达到 Rx IC 所需电压水平，这一点很重要。

图 6 整流器输出与负载的关系

图 7 所示流程图描述了规定一个新的 Rx 线圈的建议方法。这种设计流程限制了屏蔽材料、线材规范和匝数。接下来，我们将逐一详细讨论。

图 7 Rx 线圈设计方法流程图

屏蔽材料

屏蔽材料有两个主要功能：(1)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;(2)使用更少的匝数来实现更高电感的线圈，这样便不会产生过高的电阻(匝数越多，电阻越高)。

我们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。(这种影响的详情，请参见本文后面的“Rx 线圈电感测量”小节)各大厂商(例如：威世(Vishay)、TDK、松下、E