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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(fā)射線圈和一個無線充電接收線圈就可以創(chuàng)造出一個簡易的無線充電環(huán)境了，現(xiàn)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(shù)：負載所需要的功率；預期的Tx和Rx線圈之間的耦合系數(shù)；Rx線圈允許的空間。
（4）利用電路對于接受定位最好情況運行模擬。
（5）顯示負載線曲線，判斷曲線是否可接受。
（6）創(chuàng)建一個可以發(fā)送到磁性元件供應商的接收線圈特性規(guī)范；創(chuàng)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(chǎn)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(chǎn)品電子渦流，電子渦流會對金屬產(chǎn)生趨膚效應，在金屬上產(chǎn)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），磁導率最高可達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(shù)來實現(xiàn)更高電感的線圈，以減少線圈電阻（線圈匝數(shù)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(fā)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，均可以幫助最小化效率下降。
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(guī)范
應權衡成本和性能，選擇相應的Rx線圈線材規(guī)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(chǎn)生更高的等效串聯(lián)電阻。

無線充電器線圈匝數(shù)
一旦選定了線材和屏蔽材料，線圈匝數(shù)便可以根據(jù)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(shù)。
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(tǒng)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(fā)射器（Tx）A1型線圈的70%～80%。這樣可以確保大多數(shù)設計能夠擁有約50%的耦合系數(shù)，并且無線充電器發(fā)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(guī)定的5mm。

（3）根據(jù)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(tǒng)的典型設計表明，耦合系數(shù)為 0.5 左右時，約10 μH 的二次電感便足以產(chǎn)生要求的目標電壓。系統(tǒng)設計中，我們需要考慮兩種關系：


因此，如果耦合系數(shù)從0.5變?yōu)?.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(shù)與比例關系如式所示。
專為該系統(tǒng)設計的一些常見線圈的二次電感和耦合系數(shù)見表。

表專為該系統(tǒng)設計的一些常見線圈的二次電感和耦合系數(shù)
注意：這些經(jīng)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最理想的優(yōu)化。

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| 發(fā)布時間：2019.07.23    來源：充電器廠家
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