基于Q_I標準的線圈結構設計

摘 要：在研究分析非接觸感應充電原理基礎上，建立了非接觸感應充電系統的電路模型，推導出系統的傳輸效率函數式，利用Maxwell仿真分析了線圈匝數、直徑、屏蔽形狀、屏蔽與各級線圈間的距離和屏蔽厚度對耦合系數的影響，設計了一種符合Qi標準的線圈結構，為非接觸感應充電技術研究人員提供參考應用。

關鍵詞：Qi標準；Maxwell；非接觸感應；線圈

引言

電子產品的大量使用，使得充電設備越來越多，有線充電和非接觸感應充電是現在的主要供電形式。而非接觸感應充電采用電磁感應原理，由于充電器與待充電子產品之間沒有接點，不會產生接觸不良、漏電等危險。然而非接觸感應充電也存在缺點，能量是通過線圈間的交變磁場進行傳遞，磁場強度會隨著線圈間距離的變化而變化，進而影響充電效率。因此，對電磁感應技術的研究顯得尤為重要，特別是線圈的結構設計。作為非接觸感應充電行業的標準，無線充電聯盟（Wireless Power Consortium）制定的Qi標準由三部分構成，即Interface Definition、Performance Requirements和Compliance Testing。

1 非接觸感應充電原理

利用電磁感應耦合對設備供電，在初級側和次級側各有一個線圈，初級側線圈（即初級線圈）與電源相連接，通過整流濾波、高頻逆變電路把交流電流轉化成電磁信號，次級側線圈（即次級線圈）感應電磁信號并轉化成交流電流，交流電流經過整流濾波、穩壓轉換成直流電流給設備充電。非接觸感應系統框架如圖1所示。

2 非接觸感應電路模型

非接觸感應系統電路模型如圖2所示。

式中：US為交流電壓；？棕為諧振頻率；I1和I2分別為初級電路和次級電路的電流；R1和R2分別為等效電阻；C1和C2分別為初級和次級串聯的共振電容；L1和L2分別為初級繞組和次級繞組的電感；M為互感；RL為負載

當初級和次級處于同一諧振頻率時，達到最佳諧振狀態，此時有？棕L1=？棕L2=1/？棕C1=1/？棕C2。

由上式可知，非接觸感應充電系統的傳輸效率與初、次級線圈的內阻、互感和負載有關。

3 Maxwell有限元仿真

通過分析可知，傳輸效率也受線圈間距離和偏移量等影響，隨著線圈間距離、偏移量等的變化，傳輸效率也會變化。

文章選用Qi標準中A11型線圈在外部激勵為1A電流，100KHZ頻率下進行仿真研究，分析線圈匝數、線圈直徑、次級屏蔽形狀、次級線圈與屏蔽間的距離、初級屏蔽形狀、初級線圈與屏蔽間的距離和屏蔽厚度對耦合系數的影響。利用Maxwell建立三維模型如圖3所示。

3.1 線圈匝數對耦合系數的影響

當初、次級線圈之間的距離為4mm，其他仿真參數不變的情況下，通過改變線圈匝數，得到匝數對耦合系數的影響如圖4所示。

從圖中可以看出，當次級線圈匝數N=11匝時，耦合系數最高，說明線圈之間的耦合程度最好。

3.2 線圈直徑對耦合系數的影響

當次級線圈匝數N=11匝，線圈間距為4mm，其他仿真參數不變的情況下，建立三維模型如圖3所示。通過改變線圈直徑，得到線圈直徑對耦合系數的影響如圖5所示。

從圖中可以看出，當次級線圈直徑為D=45.3mm時，耦合系數最高，說明線圈之間的耦合程度最好。

考慮到初、次級線圈之間的距離對耦合系數也有影響，通過仿真分析可以得到線圈直徑、兩線圈之間的距離對耦合系數的影響如圖6所示。

從圖中可以看出，初、次級線圈之間的耦合系數隨著兩線圈間距L和線圈直徑的變化而變化。

3.3 次級側屏蔽對耦合系數的影響

限于手機尺寸的要求，屏蔽不可能無限大。通過仿真分析次級屏蔽的形狀、厚度和屏蔽與次級線圈之間的距離對耦合系數的影響，得到下面的影響曲線。

從圖7中可以看出，次級側屏蔽形狀為方形時的耦合系數高于圓形屏蔽的耦合系數，說明方形屏蔽更有利于兩線圈之間的耦合。

從圖8中可以看出，當次級屏蔽厚度為0.9mm時，耦合系數最高，說明初、次級間的耦合程度最好。

從圖9中可以看出，當次級線圈和次級側屏蔽的距離為0mm時，耦合系數最高，初、次級線圈的耦合程度最好。

3.4 初級側屏蔽對耦合系數的影響

限于手機尺寸的要求，屏蔽不可能無限大。通過仿真分析初級屏蔽的形狀、厚度和屏蔽與初級線圈之間的距離對耦合系數的影響，得到下面的影響曲線。

從圖10中可以看出，初級側屏蔽形狀為方形時的耦合系數高于圓形屏蔽的耦合系數，說明方形屏蔽更有利于兩線圈之間的耦合。

從圖11中可以看出，隨著初級側屏蔽厚度的增加，初、次級線圈之間的耦合系數增加緩慢，考慮到實際所需，選擇合適的初級側屏蔽厚度。

從圖12中可以看出，當初級線圈和初級側屏蔽的距離為0mm時，耦合系數最高，初、次級線圈的耦合程度最好。

考慮到初、次級線圈之間的距離對耦合系數也有影響，通過仿真分析可以得到偏移量S、兩線圈之間的距離L對耦合系數的影響如圖13所示。

從圖13中可以看出，隨著線圈間距L和偏移量S的減小，初、次級線圈間的耦合程度逐漸增加。

3.5 仿真結果

通過以上仿真分析，設計了一種符合Qi標準的線圈結構，當兩線圈間的距離為4mm時，初、次級線圈間的耦合系數可以達到0.763。參數如表1所示。

4 結束語

利用Maxwell對Qi標準中A11型線圈進行研究，通過仿真分析線圈匝數、線圈直徑、屏蔽形狀、屏蔽厚度和屏蔽與各級線圈間距對耦合系數的影響，設計了一種符合Qi標準的線圈結構，仿真結果表明，當初、次級線圈之間的距離為4mm時，線圈間的傳輸效率可以達到0.763，對非接觸感應產品的研究開發具有一定參考價值。

參考文獻

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