引言

近些年來,無線充電在家電、手機及汽車行業(yè)異軍突起。華為及三星都推出了自己的高端折疊手機,并在發(fā)布會中突出自己的特點如“高功率、快速無線充電"來吸引客戶的青睞。電動汽車巨頭特斯拉(TEsLA)也推出了無線充電新功能,突出自身汽車產品設計功能的優(yōu)越性及便捷性。

無線充電(wire1essCharging),又叫感應充電,是利用電磁感應原理進行無線纜充電的一項技術。其原理類似于變壓器,在發(fā)送和接收端各有一個線圈,發(fā)送端線圈連接有線電源產生電磁信號,接收端線圈感應發(fā)送端的電磁信號從而產生電流給電池充電。它主要包括兩個部分:一是發(fā)射端(Tx),與電源連接,負責向廣闊空間發(fā)射電能:二是接收端(Rx),一般安裝在電子產品上,用以接收電能。筆者將根據(jù)個人所設計的無線充電產品對無線充電設計細節(jié)進行闡述。

1無線充電劃分

1.1無線充電的大功率及小功率傳輸

無線充電有大功率與小功率之分。大功率比如筆記本電腦、機器人和電動汽車無線充電類,一般在60w以上:小功率無線充電功率一般為0.1~40w,通常應用于手表、電動牙刷及手機等電子產品。

1.2標準及陣營劃分

主流的無線充電標準有五種:Qi標準、PowerMattersAlliance(PMA)標準、AllianceforwirelessPower(A4wP)標準、iNP0Fi技術、wi一Po技術,我們目前接觸到的是Qi和PMA這兩種陣營居多。各標準比較如表1所示。

2電磁感應無線充電結構

2.1電磁感應無線充電定義及實例

電磁感應無線充電必須有Tx發(fā)射端及Rx接收端,兩部分都有線圈作為重要組成部分。其原理就是通過電磁轉換的方式,先將Tx端的電以線圈為媒介轉換為磁場,然后Rx線圈通過磁場切割的方式將磁場轉化為電,以達到充電的目的。

現(xiàn)以手機為例對無線充電部分進行分解,如圖1所示。

圖1  手機無線充電部分分解

2.2電磁感應無線充電分解

為了更容易理解其結構,將核心部分簡化,分解如圖2所示。

圖2  電磁感應無線充電核心部分工作原理

由圖2可見,無論是Tx發(fā)射端還是Rx接收端都需要線圈。鐵氧體作為磁性材料,起到提高充電效率及降低磁場干擾的效果。工作流程是Tx端PCB提供電流給線圈,然后Rx端線圈將收到的變化的磁場轉換為電流,再提供給電池,從而實現(xiàn)充電的目的。

2.3電磁感應無線充電線圈模組

電磁感應無線充電可以是單個模組,也可以是多個模組(2~3個或更多)。根據(jù)磁場的范圍來決定無線充電的工作范圍及充電效率等。

2.4無線充電線圈制作的種類區(qū)別

無線充電線圈制作的種類及優(yōu)缺點如表2所示。

3電磁感應無線充電測試指標

3.1充電功率

根據(jù)產品的功耗不同,充電功率也有大小之分。電磁感應類主要在小功率領域應用。

3.2充電距離

電磁感應類無線充電有充電距離的限制,距離越大,磁場切割越小。目前,手機類充電距離,以NxP及1DT為例大約為5mm,有的能做到10mm。

3.3充電效率

充電效率是衡量充電效果的重要指標之一,一般效率要盡可能做到80%左右。充電效率有幾個重要的影響條件:(1)充電距離:(2)線圈直徑:(3)O因子(感應系數(shù)及阻抗的比例)。

4電磁感應無線充電設計

4.1標準選擇

首先,在設計無線充電產品時,要了解相關測試標準。標準有助于設計,但不是至關重要的。我們推薦Oi標準,因為它有很好的通用性,適用于手機和其他電子產品,甚至機場、賓館等地的公共充電設施等。但也有一小部分產品不適用該標準,比如助聽器、運動器件、服飾等。

4.2lC芯片及設計方案選擇

提供無線充電1C芯片平臺的有1DT、NxP、Texas1nstruments。在進入設計階段之前,先要知道以哪家無線充電平臺進行設計。芯片的選擇決定了很多設計指標及設計方式,同時,它也決定了充電效率/距離以及熱測試等很多指標。要盡量避免因芯片平臺的不確定性而導致的設計布局混亂,從而造成最終產品達不到要求。

4.3磁芯設計及材料選擇

磁芯是無線充電產品的媒介和支撐,它真正意義上為產品提供了穩(wěn)定的功率,實現(xiàn)Tx端充電平面到產品Rx接收端的穩(wěn)定距離連接。它直接影響到了充電效率、充電距離以及散熱等問題。材料上,有手機行業(yè)Rx端所用的片狀非晶和納米

晶材料:還有大功率Tx端所用的永磁材料,主要由MnZn/NiZn等粉末材料壓制而成。

4.4成品各單元兼容及整合

硬件及軟件的兼容整合對于無線產品系統(tǒng)設計至關重要,它涉及天線調試、固件定制和尋找不同的充電配置文件以實現(xiàn)產品性能的優(yōu)化。

5電磁感應無線充電產品常見問題及改善

筆者結合自己設計過的一款15w無線充電產品,對當時面臨的問題總結如下:

5.1TX/RX工作正常、無法充電

(1)Tx/Rx端兩線圈垂直中心軸錯位,導致磁場紊亂。

(2)Tx端線圈繞線或磁芯材料問題導致線圈模組感值高于或低于設計值。

(3)Rx端線圈與Tx端距離過大,導致無法接收。

(4)F0D異物檢測未檢測到異物。

5.2RX接收端充電效率低

(1)Tx/Rx端兩線圈垂直中心軸誤差大,導致磁場強度低。

(2)Tx線圈模組感值偏差大。

(3)Rx端線圈與Tx端距離稍大。

5.3充電底座過熱

由于無線充電底座一般空間不大并且為密封結構,解決散熱問題就成為一大挑戰(zhàn),特別是在大功率應用時,筆者在設計15w無線充電產品Tx端時就碰到了該問題。原設計中鋁質(線圈與PCB之間)支架除固定功能之外,還起到散熱功能。由于功耗大,PCB端熱量高,感覺支架散熱不能滿足需求。考慮到Tx整個高度幾乎不變的前提,筆者采用0.1mm石墨片傳導,覆蓋PCB及線圈模組背面,起到加速熱傳導的目的,從而使問題得到解決。

6電磁感應無線充電測試流程

一個完整的無線充電產品的測試流程如圖3所示,作為一個產品設計工程師對此應有充分的了解。

圖3  無線充電產品測試流程

需要強調的是,在測試過程中一環(huán)扣一環(huán)。

線圈:繞線的圈數(shù)與感值測試必須在設計范圍內。

鐵氧體:材料磁通量、厚度及高度是影響整個感值及充電效率的關鍵。采用LCR設備進行測試。

Rx模組:對Tx模組進行前期檢驗篩選。

后面進行詳細的DVT測試,比如網絡、負載、品質、F0D、溫濕度、效率等測試。

總結:無線充電設計比較復雜,很多知名公司(比如蘋果和三星)已率先著手進行研制開發(fā),提供無線充電產品。這些公司擁有龐大的多學科團隊,包括電子工程師、射頻6天線工程師、機械工程師和軟件工程師。但值得強調的是,即使有了完整的研發(fā)團隊,無線產品推出也不能總是如愿完成,經常面臨產品設計延遲的現(xiàn)象。

7結語

無線充電設計很難,它整合了射頻、電子、機械、軟件等各個方面。在設計產品的前期,首先要評估用什么平臺、IC選型以及功耗等關鍵參數(shù),后面要考慮到線圈、鐵氧體、充電距離、充電效率、散熱等關鍵問題。如果不遵循這些原則,設計有重新返回起點的可能性。