無線充電系統設計時的注意事項
無線充電模塊從2017年的5億臺增長到2018年的7.5億臺；由於內置無線充電，消費電子設備引領了無線充電模塊2015年33%的增長，並隨着iPhone8和iPhoneX的發佈無線充電技術的應用進一步加速。
圖（1）無線充電技術應用的市場預測
這一增長也使得現在輔助產品設計中也納入了無線充電功能的設計。 對於許多設計師來說，這是他們第一次接觸到無線充電模塊設計。
無線充電技術常常會引出幾個問題：
- 我應該選擇哪種無線充電線圈技術？
- 我應該用什麼尺寸的線圈？
- 如何匹配發射機和接收機線圈以獲得最佳效率？
- 從我的設計中，我能期望什麼樣的功率和效率？
- 在我的設計中，我可以使用什麼類型的接收機線圈？
選擇合適的無線充電線圈技術
直到最近，無線充電市場一直被分成兩個無線充電標準機構：無線充電聯盟(WPC，Wireless Power
Consortium)和充電事務聯盟(PMA，Power Matters Alliance)，但現在這兩種充電已經趨同於一家公司。 CES2018顯示Qi（Qi是無線電源聯盟(WPC)的無線充電標準）主導無線充電市場。創造了候選標準PWA的PowerMat，現在已經與WPC聯手，專注於Qi系統。
Qi無線充電技術
Qi是無線充電聯盟(WPC)標準的緊密耦合感性無線充電，其涉及從發射機線圈與一個放置在它的頂部的緊密耦合的RX線圈之間的耦合電動勢（EMF）。
圖（2）-感應充電與共振充電
緊密耦合，0諧振線圈（左)允許最大功率傳輸，而松耦合的諧振線圈(右）可以放置在場中的任何地方。 圖2顯示了這兩種技術的基本區別。
正如前面提到的，Qi技術正迎來新的增長高峯，目前已成爲芯片供應商和產品開發商的主流解決方案；但實現一定距離的充電仍然是無線充電領域的聖盃。
諧振充電是另一種選擇，提供鬆散耦合充電，因此被充電的設備有更多的自由度。 諧振無線充電技術有許多可以被利用的優點。 例如，允許多個設備同時充電，爲應用提供不同的充電範圍，並允許控制哪些設備首先被充電。
雖然諧振充電的充電效率將低於緊密耦合充電， 但是不同的用戶應用場景仍然可以從諧振充電方式中受益，它提供創新的解決方案。 諧振充電並不是最便宜或者最有效的充電方式，但這兩種技術都會發現它們的細分市場是由最終的應用所驅動的。
兩種無線充電技術之間的比較
正如我們已經表明的那樣，Qi（緊密耦合感應充電）是主導技術，但最好的無線充電技術將取決於應用因素。
感應充電
緊密耦合意味着更高的效率，但更少的空間自由度。
只能爲單個移動設備充電.. 如果使用對準磁鐵會降低“k”（耦合係數）以及電感，從而降低效率。
可以實現高功率充電，例如：Semtech TSDM RX-19V20W-EVM (19V/20W)，採用Abracon AWCCA-RX350300101Rx線圈。
相對於線圈的大小，比諧振充電方式相比充電速度更快。
諧振充電
寬鬆的耦合導致充電效率低，但具有更大的空間自由度。
可以同時爲多個移動設備充電，不需要輔助對齊設備。
較低的傳輸功率(8W/1.6A)，例如ID TP90385V諧振充電發射機。
新的高功率近場WattUp發射機能夠實現10W充電。
兩個線圈可以保持諧振工作的最小距離。 如果諧振線圈移動太近，它們的互感會導致振盪磁場“崩潰”，功率傳輸停止。
線圈往往更大，以提供功率傳輸所需的Q值。 高Q值要求低阻抗，這也導致需要更厚的低電阻電線。
效率
這是決定哪種無線充電技術最適合特定應用的最重要的測量參數。
測量任何充電系統的效率，包括無線充電系統，都可以從基本效率公式計算：效率=Pout/(Pout-Ploss)，但當進行這些測量時，瞭解系統的總效率是很重要的。
圖3和圖4將有線充電與諧振充電進行了比較，顯示了在測量DC Out（DC輸出）時效率的變化。
圖（3）典型的牆掛式充電系統
牆掛式充電系統不同點的效率：
在(DCOut A)-無線充電接收機輸出的效率~80%至90%
在(DC Out B)-無線充電接收機輸出的效率~60%至76%
在(DC Out C)-無線充電接收機輸出的效率~50%至64%
當有線電路的效率（~95%）包括在內時，充電器的系統效率可以達到72%，考慮電池的系統效率可以達到47%；
圖（4）典型的無線充電系統
無線充電系統不同地方的效率：
在(DC Out A)-無線充電接收機輸出的效率~89%
在(DC Out B)-無線充電接收機輸出的效率~75%
在(DC Out C)-無線充電接收機的輸出效率~60%
因此，當從系統的端到端測量時，感應充電可以像有線充電器一樣有效。
感應式近耦合與諧振式無線充電
圖（5）比較的目的是展示電感和諧振充電技術之間的權衡。
圖（5)-電感和諧振充電效率與負載(電池）電流
圖（6）-充電週期效率計算圖：繪製電池充電週期內的總能量隨時間的變化
在電池的2100m AH充電期內，感應緊密耦合系統比松耦合諧振系統少使用50%的能量。 比較這兩種技術，高頻、松耦合系統通常會使用GaN輸出晶體管和零電壓開關，從而產生較少的發射機開關損耗，但由於諧振充電松耦合解決方案的性質，即使在20mm距離之外，也顯示出相對較少的耦合損耗。
圖（7）-充電效率vsTX和Rx線圈的Q值和動態比(D R)
圖（7）顯示了感應充電的一些限制，這需要線圈對齊和良好的匹配。 圖中表明，功率傳輸效率是系統的Q和充電發射機與接收機之間距離的函數。 一些數據顯示Q值在1000，但這是不可能在實踐中實現的，因爲電線或繞線組的損耗，所以Q值在20至100是正常的。
線圈的調諧有助於改善Q。 這些限制指出了鬆散耦合諧振充電的好處，其中線圈的對齊設計不能是平面的。
當選擇Rx線圈進行感應充電時的考慮因素-耦合因子
感應式、緊密耦合無線充電系統中的“變壓器”是兩個獨立的交互設備：TX線圈和RX線圈。 當相互放置時，它們以電感耦合的方式進行耦合，並被建模爲帶有空氣芯的2線圈變壓器。
圖（8）-電感線圈耦合
在TX和RX線圈上的屏蔽是必不可少的，並提供一個短路徑磁通，允許磁通流場包含在兩個核心線圈以內。 併線圈需要增加鐵氧體來提升通流線的濃度。
典型耦合係數(k=0.2~0.7)遠低於傳統變壓器的耦合係數(k=0.95~0.99)。 這種較弱的耦合可以通過在TX和RX線圈上串聯諧振帽增加Q值來減輕，不過 這意味着效率限制在85%左右。
耦合係數(k)爲：
當選擇一個Rx線圈進行感應充電時的考慮因素-屏蔽
感應無線充電線圈通常會看到一個鐵氧體屏蔽。 圖（10）顯示了定位在黑色鐵氧體屏蔽上的線圈。 鐵氧體具有重要的性能可以屏蔽裝配後的電子。
屏蔽有兩大功能：
爲磁通量提供一條“短路徑”，使其限制屏蔽後其他部件的發熱，將電動勢聚焦到鐵氧體中。
提高電感，使線圈可以用較少的繞組纏繞，節省過多的電阻。 注：防護罩應延伸至線圈外緣以外，以減少電動勢逸出而降低了飽和點。
圖（10）
所用的鐵氧體材料很重要， 優選軟鐵氧體； 根據其磁矯頑力（它們對退磁的抵抗力），可以將鐵氧體分爲兩類。 軟鐵氧體矯頑力低，最適於屏蔽..
鐵氧體厚度是一個重要的考慮因素，較厚的屏蔽吸收更多的通量，不太容易飽和(Bs)，因此線圈外部的厚度和O/D是一個重要的考慮因素。
飽和磁化強度(Bs)表示通量密度的飽和極限，剩磁(Br)是即使在感應場退出後的剩餘通量。 矯頑力(H c，Coercivity)是使鐵氧體退磁所需的相反方向的磁場。
選擇Rx線圈進行感應充電時的注意事項-線圈導線
影響有線類充電器的因素：
成本-通常在RX線圈，而不是TX線圈，有線類型和量規是由成本決定的。
更大的直徑和雙歧線提供較低的直流電阻和較少的損耗，但成本更昂貴。
在開關頻率(~125K Hz)處，經常使用Litz導線來降低阻抗。 它通過減少趨膚效應來做到這一點。
銅在125K Hz處的趨膚效應影響深度爲184μm，因此束線的損耗較小，因爲更多的銅被用來通過電流。
雙絞線屏蔽掉沿長度的電動勢，所以減少接近影響和渦流電流所產生的損耗，這就是爲什麼設計師應該考慮Rac，以及線圈的RDC。
更高功率的RX線圈，如AbraconA WC CARX350300-101，其RDC爲150mΩ，Q爲90，這提供了低損耗，並有助於Semtech20WRX系統實現高效率。
屏蔽應至少延伸2.5毫米以上的外繞組邊緣，以允許磁通流動，不會飽和或溢出到其他電子部件中。
當選擇Rx線圈進行感應時的考慮因素-匝數和電感：
選擇好導線和屏蔽，匝數決定電感和可用功率。
線圈電感：
耦合因子：
確定電壓增益和可用功率：
應使Rx線圈的面積等於或在Tx線圈的80%以內.. 這應該提供一個合適的耦合係數>50%，Tx和Rx線圈之間的距離爲2.5~5mm，而這是WPC規定的。
線圈尺寸大小的示例
如果需要5V/5W的輸出，則Rx線圈電感爲10uH的耦合係數爲0.5左右，足以產生所需的電壓，因爲：
線圈電感與匝數平方成正比。
總結
在選擇用於無線充電應用的線圈時，有多種因素需要考慮。 在滿足規模和形式因素要求的同時實現適當的功率傳輸、效率和性能可能是一個挑戰。 通過正確的線圈數和對必要的設計權衡的理解，可以優化無線充電設計。
