线圈的尺寸可减小到一个点,但仍需传输功率并与发射器进行通信。典型的线圈结构是一种在屏蔽层上用铜线制成的圆形平面线圈。替代配置是PCB或柔性电路线圈。通常情况下,这些替代物可能有更高的直流(DC)电阻(更低的效率),但会非常纤薄,该特性很适合小型低功耗应用。屏蔽层可阻止交流电磁场进入电子器件和电池,这也可提高线圈的性能。
假设Rx线圈和Tx线圈在x-y平面上对齐,那么有两个关键因素可确定耦合系数k.个因素是线圈到线圈(z)的距离,第二个因素是两个线圈直径的比例。当两个线圈距离较近且直径相匹配时,将产生佳耦合(高的k)结果(参考文献2)。为确保两个线圈从一开始就能在x-y平面上紧密对齐,可穿戴设备充电底座或支架的机械设计应包括有助于将设备妥善放置在支架中的物理方法。由于在本应用中接收器线圈非常小,Rx线圈和Tx线圈之间的轻微失准可能导致耦合系数显着降低且功率传输效率很差。
在耦合电感器系统(如WPC/Qi)中,一次线圈和二次线圈间的耦合系数(k)通常为 0.5~0.7.典型变压器的k会高得多,例如0.99.当耦合系数很低时,在二次(接收器)侧需要较高的电感值,以确保输出功率的需求能得到满足。因此,那些可能具有低耦合的小型低功率设备,实际上比标准的5W设计需要更高的二次绕组电感(参考文献3),可能需要具有更多匝数、更大屏蔽层的较高电感的接收器线圈,才能达到所需的电压增益。
线圈设计
接收器线圈尺寸的设计权衡因素包括线圈导线直径、屏蔽层尺寸和厚度。线圈直流电阻会使接收器效率降低。接收器线圈设计需要具体的匝数,以获得所需的电感。如前所述,由于耦合系数降低,小线圈所需的电感会比大线圈高。为了在较小空间内达到较高的电感值,匝数会增加,导线直径会减小。更细的导线和更多的匝数带来的合并效应,将迫使直流电阻升高并降低效率。
屏蔽层能提供低阻抗的磁通路径,并能增加线圈的电感。此外,屏蔽层还能阻止交流电磁场进入电池和接收器周围的金属体。更大、更厚的屏蔽层比较好,因为较薄的屏蔽层将遭遇高通量磁场饱和的风险。发射器线圈设计的物理限制较少。线圈可以更大,并且其电感可以更低。
用于标准5W WPC应用的典型线圈是A11型线圈。这种环形线圈直径约50mm,背后有厚厚的铁氧体屏蔽层。虽然这种线圈已在具有多种类型接收器的大量应用中经过了测试,但它适合较高的功率级(3W~5W)。对于较低功率和缩小范围的接收器,许多线圈尺寸可减小。
A11线圈的典型电感为6.3μH.为获得佳性能,应保持此值。导线直径可减小,以允许更小的线圈尺寸,但是这会增加直流电阻损耗。通过减小屏蔽层厚度,可进一步实现尺寸的缩减。有几种类型的屏蔽层可提供良好的性能。
用一个30mm的圆形发射器线圈进行测试的效果甚佳(图3)。实现更小的解决方案并非痴人说梦,但设计人员务必要注意不能使直流电阻显着增加。大多数WPC发射器中所用的谐振转换器架构,即使在负载小时,电流仍然在一次线圈内流动。考虑到产品的尺寸限制,Tx线圈的直流电阻必须在实际情况允许的条件下尽可能减小,以避免过多的功率损耗。








