为无线充电系统选择线圈
作者：Raghu Narayanan
1 简介
如今，无线充电功能在移动设备中的应用相当普遍；未来，还会有许多其他电子设备通过无线方式充电甚至供电。为充电发射器和接收器单元选择最适合的线圈配对时，需要考虑许多关键参数。
图 1:WE 接收器线圈
图 2:WE 发射器线圈
2 演示板和无线充电控制器
伍尔特电子提供符合 Qi 标准的无线发射器和接收器线圈。我们使用发射器和接收器展示电路板进行测试，评估了它们对于无线充电系统性能的影响。接收器电路中使用的无线充电控制器是 Linear Technology LTC4120。演示板的额定谐振电路频率在调谐时为 127 kHz，在失谐时为 140 kHz。发射器板的振荡频率设置为 130 kHz。
3 需要考虑的参数
按照 LTC4120 的数据手册中所述，在理想情况下，应按照 1:3 的匝数比来选择发射器和接收器线圈。另外，还应该正确选择它们的电感值，以便将发射器线圈的尺寸和发射器侧的电流保持在一定范围内。经过如下详述的后向分析，可以得出谐振电路电感器和电容器的正确选择。
3.1 接收器和发射器线圈频率
首次为接收器板选择的线圈电感为 47 µH：在本例中，由于没有对应的市售电容器规格，接收器频率的变化范围为调谐状态下 127 kHz 到失谐状态下 142 kHz（而不是 140 kHz）。类似地，调谐状态下 (127 kHz) 谐振频率的电容只能用现有的电容器近似代替。
选择接收器线圈后，可以选择发射器线圈，以满足建议的匝数比 1:3。市售电容器只能以大约 0.5% 以内的精度实现 130 kHz 的谐振频率。
3.2 线圈匝数比
测试表明，在线圈效率以及能够在接收器端保持尽可能高的电压的同时支持最大负载电流方面，1:3 的匝数比确实表现出最佳性能，也能实现最佳的电力传输性能。
3.3 循环电流
需要确定发射器和接收器电路内 LC 谐振电路中循环的电流，并配合适当的元件，以确保系统可靠运行。例如，可将发射器电路上的峰值电压预估为 15.7 V。在 126.3 kHz 的频率下电容为 0.3 μF，产生的峰值循环电流约为 4.2 A，RMS 电流约为 3 A。
3.4 输入电流电平和电阻损耗
产生给定二次电流电平所需的输入电流量是初级线圈磁场强度的函数，该磁场强度又与发射器线圈电流以及输入电流和 Q 值的乘积成正比。这意味着，除了最佳匝数比之外，Q 值高的发射器线圈可以降低所需的输入电流。发射器和接收器线圈也以低电阻为宜，以便最大程度减少电阻损耗，实现高系统效率。
3.5 DHC 功能
当线圈紧密耦合时，LTC1967A 控制器的 DHC 功能将接收器的频率调整至 140 kHz 的预设失谐值，否则调整至 127 kHz。因此，在选择发射器电路的线圈时，所选的谐振频率应当高于设定的调谐状态接收器频率。这样可以确保接收器和发射器的谐振频率相同，并且系统会按照双调谐谐振电路的方式工作，这种情况下控制器会确保全功率传输。
4 结论
应当谨慎选择发射器和接收器线圈，以便最大限度地提高无线电力传输系统的性能。除了为发射器和接收器线圈选择合适的匝数比之外，电路设计人员还应设法提高 Q 值并降低这些元件的电阻，从而实现最佳效果。
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