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CN106849376A - 一种用于无线充电的低电场发射端线圈 - Google Patents

一种用于无线充电的低电场发射端线圈 Download PDF

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CN106849376A
CN106849376A CN201710022779.0A CN201710022779A CN106849376A CN 106849376 A CN106849376 A CN 106849376A CN 201710022779 A CN201710022779 A CN 201710022779A CN 106849376 A CN106849376 A CN 106849376A
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China
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coil
field
capacitance
wireless charging
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CN201710022779.0A
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Inventor
林森
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Suzhou Turn Electronic Technology Co Ltd
Original Assignee
Suzhou Turn Electronic Technology Co Ltd
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/42—Circuits specially adapted for the purpose of modifying, or compensating for, electric characteristics of transformers, reactors, or choke coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于无线充电的低电场发射端线圈，所述用于无线充电的低电场发射端线圈在普通发射端线圈的每个单圈之间引入用于降低自身寄生电容的负面影响和降低EMI和RF干扰(RFI)的辐射干扰的调谐电容；调谐电容的电容量使得单圈线圈发生自谐振，避免相邻线圈圈数之间的交流电压的累计，并使近场磁场效应的同时最小化电场的产生。本发明为谐振式无线充电产品系列提供了一个低电场的线圈，优势在于电场干扰更小，更易通过FCC EMI认证，并为大面积1：N充电应用提供了稳定的线圈。

Description

一种用于无线充电的低电场发射端线圈
技术领域
本发明属于无线充电部分技术领域，尤其涉及一种用于无线充电的低电场发射端线圈。
背景技术
基于A4WP的无线充电系统工作在6.78MHz，它的电源发射端(PTU)的线圈设计通常需要多圈的螺旋结构以满足磁场一致性和与电源接收单元(PRU)的耦合的需求。最大的挑战在于线圈的设计，特别是设计一个大面积的线圈。由于累积的寄生电容相较于工作在低频率或者小尺寸的线圈会更大，因此能量损耗也会更大。
现有技术无线充电线圈的简易电路模型和等效寄生电容中，等效寄生电容C代表了线圈单圈之间寄生电容的总和，L代表了多圈线圈的总电感量，R表示线圈的交流和直流电阻和。在引入寄生电容C后，并联LC电路的等效阻抗和容抗可以用如下公式表示：
由于线圈的L和C组合的谐振频率远低于工作频率ω，电路等效电阻和电感可以简化为：
在这个表达式中，很小的并联电容对于线圈电感和电阻有倍增的作用。从物理上而言，加上很小的并联电容引入了一条与电感中电流相反的电流路径，因此当此电路被恒流源驱动时(如大多数A4WP无线充电系统实现)，流入电感L和电阻R的电流为(I+ΔI)，从而增加了等效电阻和电感。
寄生电容除了会引入能量传递时的磁场(H-field)，同时在近场也会引入很强的电场(E-field)。发射端线圈中很强的电场会影响发射端模块的EMC认证。此外，它会导致发射端线圈的调谐对于外界接近的物体非常敏感，如电介质材料，人的手等，使得电源发射端系统不够稳定，甚至失效。
综上，传统的无线充电线圈设计受制于自身寄生电容的作用，使得位置的灵活性和电源传输距离受到了限制。
寄生电容效应产生很强的电场，会形成对接收端设备的干扰，从而影响接收端设备充电的灵活性；且因为由于电场产生的EMI和RF干扰更大，因此发射功率会受到限制，从而影响电源传输距离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于无线充电的低电场发射端线圈，旨在解决传统的无线充电线圈设计受制于自身寄生电容的作用，使得位置的灵活性和电发射功率会受到限制，从而影响电源传输距离的问题。
本发明是这样实现的，一种用于无线充电的低电场发射端线圈，所述用于无线充电的低电场发射端线圈在A4WP发射端线圈的每个单圈之间引入用于降低自身寄生电容的负面影响和降低EMI和RF干扰(RFI)的辐射干扰的调谐电容；调谐电容的电容量使得单圈线圈发生自谐振，阻挡相邻线圈圈数之间的交流电压的累计，并使近场磁场效应最小化电场产生。
进一步，调谐电容每个线圈电流值相同。
进一步，使近场磁场效应的同时最小化电场的产生方法包括：
插入的调谐电容通过模型化，等效为Cs1～Cs5，与单圈的电感L1～L5和电阻R1～R5串联；
插入的调谐电容抵消每圈上的等效电感，使得在每圈的相同位置的感抗为0；当此线圈由恒流源驱动时，每圈线圈之间相同位置上的电压差也最低；使得通过寄生电容的回流电流接近为0；每圈的电流也与驱动恒流源的电流相同；线圈单圈之间的零电压差使近场电场效应最小化。
本发明为谐振式无线充电产品系列提供了一个低电场的线圈，优势在于电场干扰更小，更易通过FCC EMI认证，并为大面积1：N充电应用提供了稳定的线圈。
本发明在A4WP发射端线圈的单圈之间通过引入电容调谐从而降低自身寄生电容的负面影响的方案。引入的调谐电容的电容量使得单圈线圈发生自谐振，避免了相邻线圈圈数之间的交流电压的累计，从而在保证近场磁场效应的同时最小化了电场的产生。本发明同时降低了EMI和RF干扰(RFI)的辐射干扰。
与传统线圈电流值比较，本发明提供的方案通过选择合适的调谐电容，能够保证每圈线圈电流值相同(I6～I10＝I0)。但传统方案由于寄生电容的累计效应，每圈线圈上的电流值很大(I1～I5-ΔI1～ΔI5＝I0)。
传统线圈和本发明中低电场线圈相比，传统的线圈只有一个并联电容，本发明每圈上都串接了调谐电容。这两个线圈的尺寸一致，并对距离线圈12mm处的磁场分布一致性进行了优化，因此它们单圈间隔不一样。
传统线圈和本发明中低电场线圈两种线圈接入相同6.78MHz的恒流源，并测量近场的电场和磁场分布。测量结果显示两种样品的磁场强度几乎一样，但本发明提出的线圈相较于传统线圈电场要小10倍左右。这大大增强的线圈的可靠性，并且更不会轻易受到充电区域附近物体的影响(比如人身体，设备等)
传统线圈和本发明中低电场线圈通过连接开关式电源放大器进行了大量的EMI测试比较。电源放大器电路具有很强的谐波和宽带噪声，且相当于一个恒流源。从这两种线圈样品的辐射干扰测试结果可以看出，传统线圈中的基地噪声和6.78MHz谐波相较于本发明线圈明显高出(10+dB)。
本发明发射端线圈的单圈间距可能不一样，单圈的串联调谐电容也可能不一样，并需要对距离发射端线圈一定距离的磁场进行优化，使得磁场分布均匀且一致性好。本发明中最终线圈的等效电感和电阻基本没有被放大，这对提高电源的传输效率和降低损耗是有帮助的，且基本没有电场。本发明解决了寄生电容产生的很强电场的问题，因此对提高位置灵活性和电源传输距离都有帮助。
附图说明
图1是本发明实施例提供的插入调谐电容的多圈线圈图。
图2是本发明实施例提供的插入调谐电容的多圈螺旋线圈简化等效电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的用于无线充电的低电场发射端线圈，在A4WP发射端线圈的每个单圈之间引入用于降低自身寄生电容的负面影响和降低EMI和RF干扰(RFI)的辐射干扰的调谐电容；调谐电容的电容量使得单圈线圈发生自谐振，避免相邻线圈圈数之间的交流电压的累计，并使近场磁场效应最小化电场产生。
下面结合附图及具体实施例对本发明作详细描述。
图1是本发明的一个实施例例子，它在每圈线圈中间插入调谐电容。这个线圈的等效电路模型如图2所示，插入的调谐电容通过模型化，等效为(Cs1～Cs5)，与单圈的电感(L1～L5)和电阻(R1～R5)串联。对于常规的线圈尺寸，串联调谐电容(Csn)一致性并不理想，需要通过EM仿真进行优化，为了简化，下面做出一下假设：每圈的等效电感，电阻和电容为：
(L1＝L2＝L3＝L4＝L5＝3uH,C12＝C23＝C34＝C45＝10pF,R1＝R2＝R3＝R4＝R5＝0.1Ohm),
插入的每圈谐振电容取值相同(Cs1＝Cs2＝Cs3＝Cs4＝Cs5＝～180pF)。
插入的调谐电容的目的是抵消每圈上的等效电感，使得在每圈的相同位置(比如图1中的V1,V2…V5点)感抗为0.因此，当此线圈由恒流源驱动时，每圈线圈之间相同位置上的电压差也最低。这样也使得通过寄生电容的回流电流(ΔI6～ΔI9)也接近为0，每圈的电流也与驱动恒流源的电流相同(I0)。线圈单圈之间的零电压差保证了近场电场效应的最小化。整个线圈的等效电感和电阻近似为单圈的电感和电阻值和简单求和(在这个例子中是15u H和0.5Ohm)，相较于传统线圈这个值大大减少。
从等效电路模型中V1～V5点的电压分布仿真结果中，通过合理选择串接调谐电容值，在6.78MHz频率下，线圈单圈之间相同点的电位差几乎为0，从而在近场产生的电场也最小。本发明提供的方案通过选择合适的调谐电容，能够保证每圈线圈电流值相同(I6～I10＝I0)。但传统方案由于寄生电容的累计效应，每圈线圈上的电流值很大(I1～I5-ΔI1～ΔI5＝I0)。
传统线圈中只有一个并联电容，本发明每圈上都串接了调谐电容。这两个线圈的尺寸一致，并对距离线圈12mm处的磁场分布一致性进行了优化，因此它们单圈间隔不一样。
传统线圈和本发明的两种线圈接入相同6.78MHz的恒流源，并测量近场的电场和磁场分布。测量结果显示两种样品的磁场强度几乎一样，但本发明提出的线圈相较于传统线圈电场要小10倍左右。这大大增强的线圈的可靠性，并且更不会轻易受到充电区域附近物体的影响(比如人身体，设备等)
同样使用传统线圈和本发明中的两种线圈，通过连接开关式电源放大器进行了大量的EMI测试比较。电源放大器电路具有很强的谐波和宽带噪声，且相当于一个恒流源。从这两种线圈的辐射干扰测试结果可以看出，传统线圈中的基地噪声和6.78MHz谐波相较于本发明线圈明显高出(10+dB)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于无线充电的低电场发射端线圈，其特征在于，所述用于无线充电的低电场发射端线圈在普通发射端线圈的每个单圈串联调谐电容，降低由寄生电容产生的电场影响，并降低EMI和RF的辐射干扰；调谐电容的电容量使得单圈线圈发生自谐振，阻挡相邻线圈圈数之间的交流电压的累计，并使近场磁场效应最小化电场产生。
2.如权利要求1所述的用于无线充电的低电场发射端线圈，其特征在于，调谐电容每个线圈电流值相同。
3.如权利要求1所述的用于无线充电的低电场发射端线圈，其特征在于，使近场磁场效应最小化电场产生方法包括：
插入的调谐电容通过模型化，等效为Cs1～Cs5，与单圈的电感L1～L5和电阻R1～R5串联；
插入的调谐电容抵消每圈上的等效电感，使得在每圈的相同位置的感抗为0；当此线圈由恒流源驱动时，每圈线圈之间相同位置上的电压差也最低；使得通过寄生电容的回流电流接近为0；每圈的电流也与驱动恒流源的电流相同；线圈单圈之间的零电压差使近场电场效应最小化。
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