無線充電器接收器線圈設計的步驟

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無線充電器接收器線圈設計的步驟

我們在沒有了解無線充電的時候，自然就會感覺其一定是很復雜的一道工程。其實并不是如此的，我們只需要制作出一個無線充電發射線圈和一個無線充電接收線圈就可以創造出一個簡易的無線充電環境了，現在我們不妨動手試試。無線充電器接收器線圈設計基本步驟如下。

（1）確定需要無線充電器接收。
（2）了解物理設計的局限性：線圈的XY和Z尺寸限制；估計接口間隙。
（3）選擇下列參數：負載所需要的功率；預期的Tx和Rx線圈之間的耦合系數；Rx線圈允許的空間。
（4）利用電路對于接受定位較好情況運行模擬。
（5）顯示負載線曲線，判斷曲線是否可接受。
（6）創建一個可以發送到磁性元件供應商的接收線圈特性規范；創建Rx用戶BOM。
（7）在一個由TI指定的測試儀上構建和測試原型。
（8）線圈設計結束。

屏蔽材料
無線充電器是由220V電源變成一交感電磁場，然后交感電磁場再產生一交感電磁場后，由交感電磁場變成電流充電；交感電磁場遇到金屬，則會產品電子渦流，電子渦流會對金屬產生趨膚效應，在金屬上產生熱能，降低了充電效率，浪費電能。且對線路主板干擾而影響整個充電器正常工作。用鐵氧體片（厚度0.4~0.6MM），磁導率較高可達800，通過高磁通量，給交感磁場提供回路，可以提高效率。
屏蔽材料有兩個主要功能：
（1）為磁通量提供一條低阻抗通路，這樣能夠影響周圍金屬物體的能量線便極其少。
（2）使用更少的匝數來實現更高電感的線圈，以減少線圈電阻（線圈匝數越多，電阻越高）。
可以使用能夠吸收大量磁通量的厚屏蔽材料（它們擁有高通量飽和點），以防止Rx線圈后面的材料發熱。當遇到有校準磁體的Tx或者Rx時，相比細薄的屏蔽材料，厚屏蔽材料的效率不易受到影響而降低。
Vishay（威世）、TDK、松下、E&E、Elytone和Mingstar等廠商都可以提供典型的屏蔽材料，均可以幫助較小化效率下降。
請注意，高導磁鐵氧體材料（例如：鐵粉等）并非始終都好于有隙分布材料。盡管鐵氧體材料擁有高導磁性，但是在屏蔽材料厚度減小時其通量飽和點較低。必須謹慎考慮這一因素。

Rx線圈線材規范
應權衡成本和性能，選擇相應的Rx線圈線材規范。大直徑線材或者雙股線材（兩條平行線）擁有高效率，但價格更高，并且會帶來粗Rx線圈設計。例如，PCB線圈可能在整體成本方面更加便宜，但相比雙股線，它會產生更高的等效串聯電阻。

無線充電器線圈匝數
一旦選定了線材和屏蔽材料，線圈匝數便可以根據Rx線圈電感的大小確定。線圈電感和耦合決定接收器（Rx）整流器輸出的電壓增益，以及Rx的總有效功率。
確定電感目標的一般方法步驟如下：
（1） Tx 的 A1 型線圈應用作主線圈特性的基礎(例如，面積為 1500mm2，電感為 24-μH，初級電壓為 19V)。
（2）當所用屏蔽材料的導磁性遠大于空氣（>20）時，線圈面積便可以很好地表示耦合系數。
請注意，這種情況僅適用于單層或者雙層線匝的平面線圈。特殊線圈結構不適用該原則。為了確保合理的耦合和高效率，在一個5W系統中，無線充電器接收器（Rx）線圈的線圈面積約為無線充電器發射器（Tx）A1型線圈的70%～80%。這樣可以確保大多數設計能夠擁有約50%的耦合系數，并且無線充電器發射器（Tx）和無線充電器接收器（Rx）線圈之間的距離dz達到WPC規定的5mm。

（3）根據平均預計整流器電壓確定理想電壓增益。例如：在圖所示曲線圖中的6V。本例中，電壓增益約為0.32（6V/19V）。
5-V/5-W 輸出電壓系統的典型設計表明，耦合系數為 0.5 左右時，約10 μH 的二次電感便足以產生要求的目標電壓。系統設計中，我們需要考慮兩種關系：

因此，如果耦合系數從0.5變為0.4，相同功率輸出的電感會增加至先前電感的1.6倍。這就意味著新電感約為16μH。線圈電感與匝數與比例關系如式所示。
專為該系統設計的一些常見線圈的二次電感和耦合系數見表。

表專為該系統設計的一些常見線圈的二次電感和耦合系數
注意：這些經驗法則適用于一般平面線圈，主要用作設計入門。實際設計可利用仿真工具獲得較理想的優化。

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| 發布時間：2019.07.23 來源：充電器廠家

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