淺析車載無線電源充電Tx線圈的屏蔽材料類型和厚度

使用適當?shù)胤Q為“野獸”的Spark Connected 15W汽車Tx無線電源系統(tǒng)，進行了測試，比較了Tx線圈的屏蔽材料類型和厚度。測試了四種鐵氧體和一種鐵粉粉末材料，并獲得了EMI輻射，效率和熱條件的結(jié)果。Beast平臺實現(xiàn)了所有上述EMI抑制技術(shù)和效率改進方法。結(jié)果僅適用于線圈屏蔽層的更改。表1提供了此測試的結(jié)果。

表1：Tx屏蔽材料與厚度，效率的關(guān)系，與50 mm x 40 mm，8.22 uH Rx線圈配對

在“溫度”列中，針對0.3 mm厚的屏蔽的最壞情況提供了屏蔽角（Cnr）和中心（Ctr）測量值，并用于環(huán)境+自溫度升高值。對于粉末鐵材料MS8，沒有超過0.3 mm的單層屏蔽層厚度。使用了在7 mm距離處具有良好Tx-Rx對準的單繞組Tx線圈，并且使用較厚的屏蔽材料可以改善這種情況。

無論使用哪種屏蔽材料，對于最大0.9毫米厚度（使用3頁MS8疊層）都獲得了所有最大效率。這也與具有較高電感的較厚屏蔽層相吻合，該屏蔽層通過增加互感（Lm）有助于提高耦合系數(shù)，并由下式給出：

在哪里，

K –磁耦合系數(shù)
Lm –互感（也稱為“ M”）
L（tx）– Tx線圈的電感
L（rx）– Rx線圈的電感

表2還顯示，標記為FT2的較高μ'材料在所有厚度上均表現(xiàn)出最高的效率。還有其他損失源和系統(tǒng)因素在起作用，數(shù)據(jù)無法解決這些問題。其中之一與Tx線圈電感有關(guān)。由于諧振電路是針對性能優(yōu)異的FT2材料及其相應(yīng)的較高電感進行了調(diào)諧的，與其他測試的其他材料相比具有較低的電感，因此電路失調(diào)并降低了效率。在設(shè)計實踐中，應(yīng)注意通過調(diào)節(jié)電容來重新調(diào)節(jié)電路。

隨著電流在更高功率應(yīng)用中持續(xù)增加，將需要了解屏蔽材料的磁通密度飽和度（Bs）值。如果發(fā)生飽和，一定比例的磁通量會從磁屏蔽罩的背面逸出并降低效率，并且還會通過渦流在屏蔽罩后面的任何金屬上產(chǎn)生額外的熱源。這類似于表2中的較薄的屏蔽信息，這意味著屏蔽太薄不能包含所有的磁通量。

回顧上一篇文章的圖1，通過在Tx線圈上施加金屬化薄膜來進行另一項EMI測試，以幫助抑制圖中普遍存在的低頻諧波尖峰。薄膜的薄金屬化層不能很好地吸收或減弱強磁場，但可以改善與偶數(shù)諧波相關(guān)的E場，直至6次諧波或762 KHz。現(xiàn)在在圖1中顯示此新圖。

圖1：CISPR 25 Class 5使用金屬化膜測試100 KHz至30 MHz

更新后的曲線圖顯示，對5級要求的要求已提高到7次諧波或889 KHz。仍然需要在1-2 MHz范圍內(nèi)進行改進，因為準峰值略高于其在該范圍內(nèi)的極限。但是，該設(shè)計已通過Class 4認證。

車輛的下一步

汽車制造商已經(jīng)開始他們的研究，并且初步的設(shè)計工作已經(jīng)開始以更高的功率進行。下一個目標是在30-45W范圍內(nèi)，適用于平板電腦和低功耗筆記本電腦。WPC內(nèi)還有一個委員會討論此功率范圍，該標準應(yīng)在未來12個月左右推向市場。想法是，車載Tx位置可以位于前排座椅頭枕的后面，也可以位于后排座椅的小袋中較低的位置。這將允許無線供電的設(shè)備連續(xù)運行或為電池充電。為了進行初步評估，在與15W系統(tǒng)相同的條件下測試了Spark Connected 30W Minotaur平臺。表2中提供了性能最高和最低的磁性材料的結(jié)果。

表2：Tx屏蔽材料與厚度與效率的關(guān)系

在這種更高功率的情況下，由于不存在WPC標準線圈，Tx線圈現(xiàn)在已成為定制線圈。改進體現(xiàn)在更低的交流電阻值上，從而提高了系統(tǒng)效率。此外，Tx-Rx線圈的距離已減小到6mm，并且需要支持1.5A電流的Rx線圈現(xiàn)在使用絞合線來減小其AC電阻。所有這些都會帶來更高的效率，并且一旦30-45W解決方案變得司空見慣，就需要成為解決方案的一部分。需要指出的是，在平板電腦和筆記本電腦上使用較厚的外殼時，以及在每個線圈上需要使用絞合線時，線圈之間的6 mm分隔間隙可能是不現(xiàn)實的。這可能會促使需要在每一側(cè)使用“鍋”形磁芯，該磁芯由一個磁屏蔽罩組成，該磁屏蔽罩的圓周周圍有一個側(cè)壁，以及一個較大的“曲棍球”中心升高的鐵氧體磁柱。這使兩個磁性片彼此物理上更靠近，并且有助于聚焦磁通線，這既提高了K又提高了效率。

即使此功率范圍處于其開發(fā)周期的早期，也已經(jīng)有關(guān)于將功率水平提高到65-90W的早期討論。隨著功率的每一步，設(shè)計在解決EMI，效率和散熱方面變得更加關(guān)鍵。

結(jié)論

如所解釋的，用于車載充電的無線電力系統(tǒng)所面臨的無線電源系統(tǒng)面臨的3個關(guān)鍵領(lǐng)域是：EMI，效率和熱限制。本文涉及的關(guān)鍵領(lǐng)域是：

結(jié)果表明，可能需要多種組件和技術(shù)才能滿足汽車CISPR 25 EMI的要求。

從電路設(shè)計的角度來看，具有正弦波形和軟開關(guān)的推挽式拓撲結(jié)構(gòu)是減少EMI輻射并提高效率的重要方法。

從Tx線圈的角度來看，表明線圈的磁性材料（高達+ 5％）和厚度（高達+ 5％）在效率中起著重要作用，并且必須是Qi EPP設(shè)計的關(guān)鍵考慮因素，甚至更多，當功率水平增加到30-45W范圍或更高時。

還解釋說，系統(tǒng)性能不受車輛制造商或Tx無線充電子系統(tǒng)制造商的完全控制。因此，通常提供的數(shù)據(jù)來自“最佳情況”方案。

突出顯示的是Z間隙的影響或嵌入式Tx線圈與要充電的Rx設(shè)備（手機）之間的間隔距離的影響，并且不再適用目標最大5 mm。

更高功率的解決方案變得更加復(fù)雜，滿足EMI，效率和散熱要求將變得不那么重要。

安裝一張TDK的透明導(dǎo)電性Ag堆疊膜（Ag合金或Fleclear膜）片，可以大大幫助滿足低于1 MHz的CISPR 25 EMC限制。

Tx無線充電子系統(tǒng)的可能放置區(qū)域還有其他目標。其中一些是：在室內(nèi)門區(qū)域中，在中央儀表板區(qū)域中向上，或嵌入在后排乘客的前排座椅中。如果沒有適當?shù)姆椒梢源_保Tx-Rx線圈系統(tǒng)相互定向，即處于平行配置，則可能會降低耦合系數(shù)（K）和效率，從而升高溫度。我們有很多期待。

致謝

作者要感謝：

1）Spark Connected的無線電源專家，特別是Ken Moore，Emanuel Stingu和Yulong Hou，因為他們了解“野獸”和“牛頭怪”的知識和測試數(shù)據(jù)。

2）在德克薩斯州普萊諾的國家技術(shù)解決方案公司，它執(zhí)行了系統(tǒng)CISPR 25測試。

編輯：hfy