无线充电器接收器线圈设计的步骤

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无线充电器接收器线圈设计的步骤

我们在没有了解无线充电的时候，自然就会感觉其一定是很复杂的一道工程。其实并不是如此的，我们只需要制作出一个无线充电发射线圈和一个无线充电接收线圈就可以创造出一个简易的无线充电环境了，现在我们不妨动手试试。无线充电器接收器线圈设计基本步骤如下。

（1）确定需要无线充电器接收。
（2）了解物理设计的局限性：线圈的XY和Z尺寸限制；估计接口间隙。
（3）选择下列参数：负载所需要的功率；预期的Tx和Rx线圈之间的耦合系数；Rx线圈允许的空间。
（4）利用电路对于接受定位最好情况运行模拟。
（5）显示负载线曲线，判断曲线是否可接受。
（6）创建一个可以发送到磁性元件供应商的接收线圈特性规范；创建Rx用户BOM。
（7）在一个由TI指定的测试仪上构建和测试原型。
（8）线圈设计结束。

屏蔽材料
无线充电器是由220V电源变成一交感电磁场，然后交感电磁场再产生一交感电磁场后，由交感电磁场变成电流充电；交感电磁场遇到金属，则会产品电子涡流，电子涡流会对金属产生趋肤效应，在金属上产生热能，降低了充电效率，浪费电能。且对线路主板干扰而影响整个充电器正常工作。用铁氧体片（厚度0.4~0.6MM），磁导率最高可达800，通过高磁通量，给交感磁场提供回路，可以提高效率。
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，以减少线圈电阻（线圈匝数越多，电阻越高）。
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。
Vishay（威世）、TDK、松下、E&E、Elytone和Mingstar等厂商都可以提供典型的屏蔽材料，均可以帮助最小化效率下降。
请注意，高导磁铁氧体材料（例如：铁粉等）并非始终都好于有隙分布材料。尽管铁氧体材料拥有高导磁性，但是在屏蔽材料厚度减小时其通量饱和点较低。必须谨慎考虑这一因素。

Rx线圈线材规范
应权衡成本和性能，选择相应的Rx线圈线材规范。大直径线材或者双股线材（两条平行线）拥有高效率，但价格更高，并且会带来粗Rx线圈设计。例如，PCB线圈可能在整体成本方面更加便宜，但相比双股线，它会产生更高的等效串联电阻。

无线充电器线圈匝数
一旦选定了线材和屏蔽材料，线圈匝数便可以根据Rx线圈电感的大小确定。线圈电感和耦合决定接收器（Rx）整流器输出的电压增益，以及Rx的总有效功率。
确定电感目标的一般方法步骤如下：
（1） Tx 的 A1 型线圈应用作主线圈特性的基础(例如，面积为 1500mm2，电感为 24-µH，初级电压为 19V)。
（2）当所用屏蔽材料的导磁性远大于空气（>20）时，线圈面积便可以很好地表示耦合系数。
请注意，这种情况仅适用于单层或者双层线匝的平面线圈。特殊线圈结构不适用该原则。为了确保合理的耦合和高效率，在一个5W系统中，无线充电器接收器（Rx）线圈的线圈面积约为无线充电器发射器（Tx）A1型线圈的70%～80%。这样可以确保大多数设计能够拥有约50%的耦合系数，并且无线充电器发射器（Tx）和无线充电器接收器（Rx）线圈之间的距离dz达到WPC规定的5mm。

（3）根据平均预计整流器电压确定理想电压增益。例如：在图所示曲线图中的6V。本例中，电压增益约为0.32（6V/19V）。
5-V/5-W 输出电压系统的典型设计表明，耦合系数为 0.5 左右时，约10 µH 的二次电感便足以产生要求的目标电压。系统设计中，我们需要考虑两种关系：

因此，如果耦合系数从0.5变为0.4，相同功率输出的电感会增加至先前电感的1.6倍。这就意味着新电感约为16µH。线圈电感与匝数与比例关系如式所示。
专为该系统设计的一些常见线圈的二次电感和耦合系数见表。

表专为该系统设计的一些常见线圈的二次电感和耦合系数
注意：这些经验法则适用于一般平面线圈，主要用作设计入门。实际设计可利用仿真工具获得最理想的优化。

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| 发布时间：2019.07.23 来源：充电器厂家

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