感应式无线充电产品详述及设计

时间：2022-07-20 21:17:34

关键字：模块设计线圈散热

手机看文章

扫描二维码
随时随地手机看文章

[导读]摘要:结合无线充电产品设计经验,对无线充电设计细节进行探究。介绍了无线充电划分及电磁感应无线充电结构、测试指标,在此基础上对电磁感应无线充电设计进行了分析,并总结了电磁感应无线充电产品常见问题及改善措施,阐述了电磁感应无线充电测试流程。

引言

近些年来,无线充电在家电、手机及汽车行业异军突起。华为及三星都推出了自己的高端折叠手机,并在发布会中突出自己的特点如“高功率、快速无线充电"来吸引客户的青睐。电动汽车巨头特斯拉(TEsLA)也推出了无线充电新功能,突出自身汽车产品设计功能的优越性及便捷性。

无线充电(wire1essCharging),又叫感应充电,是利用电磁感应原理进行无线缆充电的一项技术。其原理类似于变压器,在发送和接收端各有一个线圈,发送端线圈连接有线电源产生电磁信号,接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流给电池充电。它主要包括两个部分:一是发射端(Tx),与电源连接,负责向广阔空间发射电能:二是接收端(Rx),一般安装在电子产品上,用以接收电能。笔者将根据个人所设计的无线充电产品对无线充电设计细节进行阐述。

1无线充电划分

1.1无线充电的大功率及小功率传输

无线充电有大功率与小功率之分。大功率比如笔记本电脑、机器人和电动汽车无线充电类,一般在60w以上:小功率无线充电功率一般为0.1~40w,通常应用于手表、电动牙刷及手机等电子产品。

1.2标准及阵营划分

主流的无线充电标准有五种:Qi标准、PowerMattersAlliance(PMA)标准、AllianceforwirelessPower(A4wP)标准、iNP0Fi技术、wi一Po技术,我们目前接触到的是Qi和PMA这两种阵营居多。各标准比较如表1所示。

2电磁感应无线充电结构

2.1电磁感应无线充电定义及实例

电磁感应无线充电必须有Tx发射端及Rx接收端,两部分都有线圈作为重要组成部分。其原理就是通过电磁转换的方式,先将Tx端的电以线圈为媒介转换为磁场,然后Rx线圈通过磁场切割的方式将磁场转化为电,以达到充电的目的。

现以手机为例对无线充电部分进行分解,如图1所示。

图1 手机无线充电部分分解

2.2电磁感应无线充电分解

为了更容易理解其结构,将核心部分简化,分解如图2所示。

图2 电磁感应无线充电核心部分工作原理

由图2可见,无论是Tx发射端还是Rx接收端都需要线圈。铁氧体作为磁性材料,起到提高充电效率及降低磁场干扰的效果。工作流程是Tx端PCB提供电流给线圈,然后Rx端线圈将收到的变化的磁场转换为电流,再提供给电池,从而实现充电的目的。

2.3电磁感应无线充电线圈模组

电磁感应无线充电可以是单个模组,也可以是多个模组(2~3个或更多)。根据磁场的范围来决定无线充电的工作范围及充电效率等。

2.4无线充电线圈制作的种类区别

无线充电线圈制作的种类及优缺点如表2所示。

3电磁感应无线充电测试指标

3.1充电功率

根据产品的功耗不同,充电功率也有大小之分。电磁感应类主要在小功率领域应用。

3.2充电距离

电磁感应类无线充电有充电距离的限制,距离越大,磁场切割越小。目前,手机类充电距离,以NxP及1DT为例大约为5mm,有的能做到10mm。

3.3充电效率

充电效率是衡量充电效果的重要指标之一,一般效率要尽可能做到80%左右。充电效率有几个重要的影响条件:(1)充电距离:(2)线圈直径:(3)O因子(感应系数及阻抗的比例)。

4电磁感应无线充电设计

4.1标准选择

首先,在设计无线充电产品时,要了解相关测试标准。标准有助于设计,但不是至关重要的。我们推荐Oi标准,因为它有很好的通用性,适用于手机和其他电子产品,甚至机场、宾馆等地的公共充电设施等。但也有一小部分产品不适用该标准,比如助听器、运动器件、服饰等。

4.2lC芯片及设计方案选择

提供无线充电1C芯片平台的有1DT、NxP、Texas1nstruments。在进入设计阶段之前,先要知道以哪家无线充电平台进行设计。芯片的选择决定了很多设计指标及设计方式,同时,它也决定了充电效率/距离以及热测试等很多指标。要尽量避免因芯片平台的不确定性而导致的设计布局混乱,从而造成最终产品达不到要求。

4.3磁芯设计及材料选择

磁芯是无线充电产品的媒介和支撑,它真正意义上为产品提供了稳定的功率,实现Tx端充电平面到产品Rx接收端的稳定距离连接。它直接影响到了充电效率、充电距离以及散热等问题。材料上,有手机行业Rx端所用的片状非晶和纳米

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

4.4成品各单元兼容及整合

硬件及软件的兼容整合对于无线产品系统设计至关重要,它涉及天线调试、固件定制和寻找不同的充电配置文件以实现产品性能的优化。

5电磁感应无线充电产品常见问题及改善

笔者结合自己设计过的一款15w无线充电产品,对当时面临的问题总结如下:

5.1TX/RX工作正常、无法充电

(1)Tx/Rx端两线圈垂直中心轴错位,导致磁场紊乱。

(2)Tx端线圈绕线或磁芯材料问题导致线圈模组感值高于或低于设计值。

(3)Rx端线圈与Tx端距离过大,导致无法接收。

(4)F0D异物检测未检测到异物。

5.2RX接收端充电效率低

(1)Tx/Rx端两线圈垂直中心轴误差大,导致磁场强度低。

(2)Tx线圈模组感值偏差大。

(3)Rx端线圈与Tx端距离稍大。

5.3充电底座过热

由于无线充电底座一般空间不大并且为密封结构,解决散热问题就成为一大挑战,特别是在大功率应用时,笔者在设计15w无线充电产品Tx端时就碰到了该问题。原设计中铝质(线圈与PCB之间)支架除固定功能之外,还起到散热功能。由于功耗大,PCB端热量高,感觉支架散热不能满足需求。考虑到Tx整个高度几乎不变的前提,笔者采用0.1mm石墨片传导,覆盖PCB及线圈模组背面,起到加速热传导的目的,从而使问题得到解决。

6电磁感应无线充电测试流程

一个完整的无线充电产品的测试流程如图3所示,作为一个产品设计工程师对此应有充分的了解。