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        基于QI標準的線圈結構設計

        2016-12-31 00:00:00姚貴英趙建李培英
        科技創(chuàng)新與應用 2016年21期

        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(yè)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(wěn)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(tài),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(fā)具有一定參考價值。

        參考文獻

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        [2]陳艷,陳新.基于QI標準線圈的磁諧振無線充電系統仿真研究[J].電腦知識與技術,2015,10:207-209.

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        [4]朱美杰.感應式無線充電技術的研究[D].南京信息工程大學,2012.

        [5]何芹,張佳斌,戴麗潔,等.手機無線充電系統的設計與實現[J].電子與封裝,2013,8:44-47.

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