关于无线充电系统中线圈的设计考量

我们都听说过TI、凌力尔特、IDT、东芝等许许多多公司为无线电力传输这个快速增长的市场开发的无线电力发射器/接收器IC。一个经常被忽视但不管怎样都是无线电力传输解决方案中的关键元件是发射/接收天线线圈。设计人员可以设计他们自己的线圈，但有两家非常杰出而且能力最强的公司，他们专门为用户设计各种各样这方面的线圈。

在今年的DesignCon 2015展会上，笔者参观了Würth Elektronik公司展台，对这家公司在无线充电和发射线圈方面所涉及的设计深度惊叹不已。

首先，我非常看好象无线电力传输这种覆盖范围广泛的技术所遵循的标准和互操作性。Würth Elektronik eiSos (无源和机械元器件) 公司是WPC无线充电联盟和A4WP(也称为Rezence)无线充电联盟的成员。为了进一步巩固和统一标准，A4WP已经同意与PMA无线充电联盟(PMA)合并。这将有助于这个行业采用一个通用的标准，并有望在不远的将来WPC也采用同样的标准。

对设计人员来说接下来最重要的是获得性能良好的演示板。Würth Elektronik eiSos公司有一个5W的设计套件，该套件采用最优化的元件，可以满足Qi标准。设计人员就是需要类似这样的工具，以便减轻他们的设计负担，加快产品上市。Digi-Key在他们的网站上提供这个套件。Mouser公司在他们的网站上也有这个套件出售。

图1：Würth 5W套件对于使用Qi标准完善无线电力传输发明的设计人员来说很重要。这些演示板使用了TI的IC以及各种充电和发射线圈，用户可以从中进行选择。

图2：有各种线圈尺寸和形状可供设计人员设计时选用。表1列出了这个套件中提供的各种尺寸。

表1，5W演示套件中提供的各种无线电力线圈。

无线电力传输的原理

图3：无线电力传输的原理

NuCurrent线圈

NuCurrent公司有一种无线充电天线技术可以兼容A4WP、Qi和PMA标准。用户使用该公司的解决方案后无需过多的考虑标准问题，因为这些解决方案对标准问题进行了简化。通过使用他们的多模解决方案，接收线圈可以与包括Qi、PMA和A4WP在内的各种发射器一起配合工作。事实上，NuCurrent的高效率谐振器已被选择用于首款商用A4WP认证产品和WPC标准天线实现车载充电(即将手机放在汽车中央扶手上进行充电)。NuCurrent公司还宣布了战略性合作伙伴和来自Molex的投资，其产品被选择作为博通和宜普等其它无线充电行业领先公司开发的系统中的参考天线。

好吧，如果宜普公司选择NuCurrent作为合作伙伴，那么我深信他们肯定有某些特殊的地方。宜普公司开发生产坚固耐用的高速大功率eGaN MOSFET，这些器件适合用作无线充电线圈的大功率驱动器，而且宜普的应用工程人员是一个极具才能的团体。

因此，笔者专门对发明印刷线圈技术的这家设计公司进行了调查，并于最近采访了公司的首席执行官Jacob Babcock。NuCurrent线圈有何不同？Babcock告诉说，这些线圈具有市场上最高的品质因数。

什么是品质因数Q？

WPC对Q的定义是：

对于相同体积和形状但绕组安排不同的线圈来说，其电感L和电阻R的比值保持不变。为了区别不同的线圈结构，将这个比值定义为品质因数Q是有意义的。

电感中同一电流感应的电压随频率f以及器件中的视在功率变化而变化。品质因数的一般定义基于的是视在功率与器件中 功率损失之比。根据这个定义，可以推导出一个线圈的品质因数：

Q = ωL/R

其中ω = 2πf:

品质因数Q的取值范围是0到无穷大，虽然对线圈来说很难获得远大于1000的值。对于批量产品来说，可以期待的品质因数大约是100左右。低于10的品质因数就不是很有用了。这些值必须按典型的数量级加以考虑。

对于固定的工作频率来说，品质因数Q主要取决于线圈的形状和尺寸以及所用的材料。标准线圈技术(比如线绕线圈、PCB线圈)一般都规定有品质因数值。

与传统的无线充电天线相比，NuCurrent器件体积更小，可以延长电池寿命，覆盖更远的距离，并具有更低的发热量，对准的灵活性也更强。

WPC和A4WP使用的两个最常用的天线频率分别是150kHz和6.78MHz。

图4：NuCurrent技术可以用来创建高效灵活的无线充电天线(NuCurrent公司特别提供)

在低频(Qi兼容)下，系统通常工作在大约2cm的较近距离，印刷线圈的好处在于耐用性、灵活性、可扩展性，并且方便集成。

在较高频率(A4WP兼容)下，潜在好处是更远的电力传输距离、更好的方向灵活性和更小的尺寸。这种天线在这里被称为"谐振器"，凭借它们的小型尺寸和低廉价格，它们可以提供可能