我們在沒有了解無線充電的時候，自然會覺得是很複雜的一道工程。其實我們只需要製作出一個無線充電發射線圈和一個無線充電接收線圈，可創造出一個簡易的無線充電環境了，現在我們不妨動手試試。


無線充電器接收器線圈設計基本步驟如下 :

（1）確定需要無線充電器接收。
（2）了解物理設計的限制：線圈的X、Y和Z尺寸限制；估算介面間隙。
（3）選擇下列參數：負載所需的功率；預期的Tx和Rx線圈之間的耦合係數；Rx線圈允許的空間。
（4）利用電路對於接受定位最好情況運行模擬。
（5）顯示負載線曲線，判斷曲線是否可接受。
（6）創建一個可以發送到磁性元件供應商的接收線圈特性規範；創建Rx用戶BOM。
（7）在一個由IC方案公司指定的測試儀上建構和測試原型。
（8）線圈設計結束。

二、 Qi 標準系統簡述

對於WPC 規定的無線電源系統而言，使用簡單的變壓器，便可以完成磁電力傳輸的行為。傳統變壓器通常為單一物理結構，兩個線圈繞組於磁芯材料上纏繞，且磁芯導磁性遠高於空氣（圖 1）。由於傳統變壓器使用高導磁性材料來傳輸磁通量，因此一個線圈所產生的大部分磁通量會與另一個線圈產生耦合。耦合程度是藉由作耦合係數 ( k 值 : 範圍為 0 ~ 1 ) 來測定。
 

圖 1. 一個物理結構的傳統變壓器

雙線圈變壓器包含以下三個參數的定義：
L11 為線圈 1 的自電感。
L22 為線圈 2 的自電感。
L12 為線圈 1 和 2 的互感。
兩個線圈之間的耦合係數可以表示為：
 

圖2. 傳統變壓器的理想模型

那麼，利用圖 2 所示耦合電感器，可以對理想變壓器建模。
再利用此電感器的電壓和電流關係，即可得到此雙線圈變壓器的波動方程式：
 

圖 3. 傳統變壓器的懸臂模型

為了方便進行電路分析，圖 2模型可用懸臂模型來表示，如圖 3所示。此處的磁耦合和互感，被簡化為漏電感和磁化電感。這樣，透過一個電路實現，我們便可以理解這種耦合的物理性質。對於一個理想變壓器而言，匝數比可以用以下公式計算：
 

在強耦合系統中，漏電感佔磁化電感的百分比很小，因此在求一次近似值時，此參數可以忽略不計。除高耦合外，Qi 標準系統中使用的串聯諧振電容也會降低漏電感的影響。所以，主線圈到次線圈的電壓增益的一次近似值為：

Qi 標準系統的變壓器由兩個獨立實體元件組成：
發射器 (Tx) 和接收機 (Rx)，各自有一個隔離的線圈。當 Tx 和 Rx 互相靠近時，會形成耦合電感關係，其可以簡單地被建模為一個使用空氣磁芯的雙線圈變壓器（請參見圖 4）。兩端的屏蔽材料起到一個磁通短路的作用。這讓磁通量存在於兩個線圈之間。圖 5 顯示了典型運行期間磁場線的 2D 模擬。
 

圖4. 使用空氣磁芯的簡易電感耦合變壓器


圖5. 模擬線圈流過電流磁場分佈圖

對典型 Qi 標準系統而言，耦合係數 (k) 要比傳統變壓器低得多。傳統變壓器的耦合係數範圍為 0.95 到 0.99。也就是95% 到 99% 磁通量耦合至次級線圈；但是，對於 Qi 標準系統來說，耦合係數範圍為 0.2 到 0.7，也就是 20% 到 70%。大多數情況下，Qi 標準往往會在 Tx 和 Rx 上使用一個串聯諧振電容，以緩解這種低耦合度問題。這種電容可以對諧振漏電感進行補償。

三、 屏蔽材料的作用

屏蔽材料有兩個主要功能：
（1）為磁通量提供一條低阻抗通路，這樣可不影響周圍金屬物體或元件。
（2）使用更少的匝數來達到更高的電感值，以減少線圈電阻（線圈匝數越多，電阻越高）。

可以使用能夠吸收大量磁通量的厚屏蔽材料（它們擁有高通量飽和點） ，以防止Rx線圈後面的材料發熱。當遇到有校準磁鐵的Tx或Rx時，厚屏蔽材料比薄屏蔽材料的效率更不易降低。
高創科技都可以提供典型的屏蔽材料。


 

四、 RX線圈線材選擇

選擇相應的Rx線圈線材應權衡成本和性能。例如，大直徑線材或雙股線材（兩條平行線）相較小直徑線材或單股線材擁有高效率，但價格較高。又或PCB印刷線圈可能在整體成本方面更加便宜，但相比雙股線，它會產生更高的等效串聯電阻。


 

五、 RX 線圈匝數選擇

一旦選定了線材和屏蔽材料，線圈匝數便可以根據Rx線圈電感的大小來決定。線圈電感和耦合決定接收器（Rx）整流器輸出的電壓增益，以及Rx的總有效功率。

確定電感目標的一般方法步驟如下：

（1）Tx的A1型線圈應用作主線圈特性的基礎 (例如，面積為1500mm2，電感為24 µH，初級電壓為19V)。
（2）當所用屏蔽材料的導磁性遠大於空氣（>20）時，線圈面積便可以很好地表示耦合係數。
（3）根據平均預計整流器電壓決定理想電壓增益。


5-V/5-W 輸出電壓系統的典型設計表明，耦合係數為 0.5 左右時，約10 µH 的二次電感足以產生要求的目標電壓。
注意，這種情況僅適用於單層或雙層線匝的平面線圈。特殊線圈結構不適用此原則。為了確保合理的耦合和高效率，在一個5W系統中，無線充電器接收器（Rx）線圈的線圈面積約為無線充電器發射器（Tx）A1型線圈的70%～80%。這樣可以確保大多數設計能夠擁有約50%的耦合係數，並且無線充電器發射器（Tx）和無線充電器接收器（Rx）線圈之間的距離達到WPC規定的5mm。



本文說明了我們可以運用傳統的變壓器基本原理，簡化無線充電系統的線圈設計。但是，通用性和行動裝置的特性，也使標準磁學設計方法出現一些獨特的變化。
仔細閱讀並理解前面我們介紹的線圈設計內容，可以增加您一次成功的機會。我們介紹的一些評估方法，可以讓您非常有條理地規定和描述一種客製化 Rx 線圈。