無線諧振器線圈中的非均勻間距的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開一般涉及用于無線充電的技術(shù)。具體地，本公開涉及高均勻度的無線充電 諧振器。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線電力系統(tǒng)包括形式為功率放大器的射頻源。該功率放大器可W驅(qū)動系統(tǒng)，并 且可W被建模為理想的恒流源。對于任何無線電力充電系統(tǒng)來說，重要的子系統(tǒng)可W包括 發(fā)送器（Tx)和接收器（Rx)線圈對。在一些方面中，該些線圈被稱為諧振器。諧振器可W表 現(xiàn)出一定的性能特性。進(jìn)一步，在接收器側(cè)，二極管電橋可用于將輸入射頻信號整流成直流 信號。
【附圖說明】
[0003] 圖1圖示了低損耗Tx線圈； 圖2A是由線圈Tx線圈的面之間的非均勻間距產(chǎn)生的磁場分布； 圖2B是由具有均勻間距的Tx線圈產(chǎn)生的磁場分布； 圖3是圖示了隨著與低損耗線圈中也的距離的測量的磁場的示圖； 圖4圖示了在線圈的面之間具有非均勻間距的線圈的頂視圖； 圖5A圖示了在線圈的面之間具有非均勻間距的線圈的頂視圖； 圖5B是在線圈的面之間具有非均勻間距的線圈的側(cè)視圖； 圖5C是在線圈的面之間具有非均勻間距的線圈的底視圖； 圖6是圖示了整流器電壓對線圈電流的示圖； 圖7圖示了形成發(fā)送器線圈的方法； 圖8是圖示了用于確定發(fā)送器線圈中的優(yōu)化的非均勻間距的方法的框圖； 圖9圖示了具有由優(yōu)化過程確定的面的示例發(fā)送器線圈；W及 圖10圖示了被用于充電一到多個設(shè)備的高功率線圈。
[0004] 在整個公開和圖中，相同的附圖標(biāo)記被用于引用相同的組件和特征。100系列的附 圖標(biāo)記指的是最初在圖1中發(fā)現(xiàn)的特征；200系列的附圖標(biāo)記指的是最初在圖2中發(fā)現(xiàn)的 特征等。
【具體實(shí)施方式】
[0005] 本公開一般涉及用于無線充電系統(tǒng)中的高諧振器均勻度的技術(shù)。有若干牽連在諧 振器線圈設(shè)計(jì)中的重要因素，諸如線圈到線圈的效率、易制造性、線圈公差和成本。最重要 的因素之一可包括被配置成產(chǎn)生最小磁場變化（即最大場均勻度)的Tx線圈。當(dāng)具有Rx線 圈的可充電設(shè)備被放置在Tx諧振器的頂上時，最大場均勻度可能是有用的。因?yàn)樵谠摲N線 圈中的主磁場分量沿著垂直于線圈的平面延伸的方向"Z"，所W均勻度是磁場的化分量中 的因素。Hz分量是在Z方向上的磁場。此磁場分量受線圈的設(shè)計(jì)影響，諸如線圈面的數(shù)量 和分布，Tx線圈到Rx線圈之間的距離，W及充電設(shè)備的物理組分（即銅鋼、塑料等)。
[0006] 由于若干原因，對于無線電力系統(tǒng)的魯棒操作來說，磁均勻度可W是有用的。Tx和 Rx諧振器之間的互感與磁場相關(guān)，如由等式1所指示的。
[0007]M=(uH^/IJX(NkAx) 等式 1。
[000引在等式1中，化是在Z方向上的磁場，其由Tx線圈中的輸入電流It,產(chǎn)生。常量y是導(dǎo)磁系數(shù)，并且"Nc/變量指示接收線圈（Rx線圈）中的面數(shù)。"At/變量指示Rx線圈 的表面積。在一些方面中，A"指的是Rx線圈的充電墊的表面積。接收器線圈上的輸出電 壓（VJ和輸入電流Iiy之間的關(guān)系由等式2指示。
[0009]V=?MItx=Z21Itx 等式 2。
[0010] 在等式2中，《是角頻率（2乘Wn乘W頻率(赫茲)）。變量Z21是"網(wǎng)絡(luò)參數(shù)"。 在方面中，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可W描述網(wǎng)絡(luò)中的兩個組件之間的鏈路。變量Z21是發(fā)送器和接收器 的網(wǎng)絡(luò)中的鏈接端口 1 (發(fā)送器）和端口 2 (接收器）的Z網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。
[0011] 如從等式1和等式2顯而易見，磁場化的大變化將導(dǎo)致在接收器側(cè)產(chǎn)生的電壓的 大變化。此電壓變化可W超過二極管的擊穿電壓。無線電力接收單元（PRU)可W包括配置 成使電壓在一個方向通過的二極管。該二極管還可W被配置成使電壓W相反方向通過。然 而，當(dāng)電壓W相反方向通過二極管時，可W施加超過其二極管開始擊穿的電壓限制。進(jìn)一 步，電壓變化在某些情況下，可W超過由二極管電橋后面的電壓調(diào)節(jié)器所允許的電壓范圍。
[0012] 具有大的互感變化的附加問題是呈現(xiàn)給功率放大器（PA)的負(fù)載。在該種情況下， Tx線圈和Rx線圈是電力傳輸系統(tǒng)內(nèi)的組件?；ジ械淖兓l(fā)生在兩線圈之間，并且該變化具 有對雙方的影響。在接收側(cè)，該影響是電壓變化將是大的，如等式2所示。在發(fā)送側(cè)，功率 放大器的阻抗將是大的，因?yàn)樽杩挂彩腔ジ械暮瘮?shù)，如等式3所示。
[0013] Zhin-Rtx+ ("M) //(Rkx+Rload) 專式 3。
[0014] 在等式3中，Zhi。是呈現(xiàn)給功率放大器（PA)的負(fù)載，Rh是發(fā)送器的損耗電阻， Rh是接收器的損耗電阻，而RiMd是接收器的負(fù)載。
[0015] 大多數(shù)的PA設(shè)計(jì)被限制在它們可W容忍的負(fù)載變化中，同時W高效率提供功率。 從等式3顯而易見的是，大的場變化將導(dǎo)致由PA驅(qū)動的大的輸入阻抗，其與互感的平方成 比例。進(jìn)一步，當(dāng)移動充電設(shè)備從高禪合區(qū)域到低禪合區(qū)域時，系統(tǒng)可能無法在短時間段提 供足夠的電力，從而導(dǎo)致充電電力的暫時喪失。
[0016] 傳統(tǒng)線圈設(shè)計(jì)可包括許多在面之間具有類似間距的面。然而，許多具有類似間距 的面產(chǎn)生高度非均勻的場分布，因?yàn)橛擅總€面產(chǎn)生的相消場和相長場將W高度非均勻的方 式聚集起來，從而導(dǎo)致大的場變化。
[0017] 圖1圖示了低損耗Tx線圈。為了減輕由大的磁場變化引起的影響，優(yōu)化的Tx線 圈設(shè)計(jì)可W包括在線圈的面之間具有非均勻間距的Tx線圈，如由括弧102和104之間的相 對長度所指示的。非均勻間距可W導(dǎo)致相對更均勻的磁場，如下面圖2所示。所提出的設(shè) 計(jì)減少了變化，同時使系統(tǒng)的其它組件能夠W魯棒的方式進(jìn)行操作。
[0018] 在一些方面中，Tx線圈100可W形成在印刷電路板（PCB)中，如圖1所示。使用 PCB來實(shí)現(xiàn)線圈可W允許制造中的過程變化上的非常嚴(yán)格的控制。此外，因?yàn)镻CB技術(shù)是非 常成熟的技術(shù)，所W它適于大批量制造，也易于與電路板集成。另一個優(yōu)點(diǎn)是，與沒有集成 至IJPCB中的線圈相比，可能用該種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的相對低的"Z"高度。在此設(shè)計(jì)中，與大約4. 2 毫米的傳統(tǒng)線圈相比，該P(yáng)CB線圈板的總厚度可W大約是0. 8毫米。
[0019] 此外，相對于不包括PCB集成線圈的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了從Tx線圈到Rx線圈的電力 傳輸?shù)男?。?dāng)集成在PCB內(nèi)時，該種效率由于Tx線圈的電阻而被部分實(shí)現(xiàn)。然而，在一 些情況下，PCB線圈由于介電損耗和小的跡線厚度而表現(xiàn)出高電阻。為了抗擊由于介電損 耗和小的跡線厚度而引起的此高電阻，在本文中所描述的技術(shù)包括通過使用過孔并行地連 接H個相同的PCB金屬層構(gòu)成的線圈。使用該種技術(shù)，允許低損耗線圈的設(shè)計(jì)。
[0020] 該種設(shè)計(jì)的另一個特性是，相對于Rx線圈的位置減少磁場變化。減少的磁場變化 對實(shí)現(xiàn)無線電力傳輸系統(tǒng)所要求的性能至關(guān)重要。
[0021] 圖2A是由線圈Tx線圈的面之間的非均勻間距產(chǎn)生的磁場分布，而圖2B是由具有 均勻間距的Tx線圈產(chǎn)生的磁場分布。在與線圈相距11毫米處，在一般由箭頭202所指示 的線圈區(qū)域上的磁場的Z分量的分布如圖2A所示。如圖2A所示，在線圈區(qū)域202內(nèi)的磁 場是均勻的，其中當(dāng)由0.5安培的電流源驅(qū)動時，其大小約為10A/m。正如所預(yù)期的，場的 大小朝線圈的邊緣迅速地下降，在204處指示了該種區(qū)域。相比之下，具有均勻間距的Tx 線圈在一般由箭頭206所指示的線圈區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了非均勻的磁場分布。
[002引圖3是圖示了隨著與低損耗線圈中也的距離的測量的磁場的示圖。在示圖300中 的分布具有磁場量測線的Z分量。如圖3所示，為了W更精確的方法來量化磁場的變化，所 述場在線圈（-70毫米到+70毫米）上沿著y軸被繪制。沿著該條線，所述場在9. 2和10. 7 A/m之間變化（+/- 8%)。為了比較均勻設(shè)計(jì)的Tx線圈的性能，考慮到傳統(tǒng)的線圈。
[0023] 圖4圖示了在線圈的面之間具有非均勻間距的線圈的頂視圖。參考圖4,在X方 向上的距離可W被稱為"長度"，而在y方向上的距離可W被稱為"寬度"。示例Tx線圈400 可在PCB板上實(shí)現(xiàn)為跡線，該P(yáng)CB板在X方向上具有大約143. 5毫米長的長度，W及在y方 向上大約91毫米的寬度。
[0024] Tx線圈400的"面"在本文中可W稱為Tx線圈的周向部分。第一面，由陰影區(qū)域 402所指示，可W具有大約140毫米的長度和大約90毫米的寬度。第一面可被禪合到過孔 404和第二面，由陰影區(qū)域406所指示的。
[0025] 第二面406,可W具有大約132毫米的長度和大約82毫米的寬度。第二面404可 被禪合到第H面，由陰影區(qū)域408所指示的，其具有大約124毫米的長度和大約74毫米的 覺度。
[0026] 第H面406可被禪合到第四面，由陰影區(qū)域410所指示的，其具有大約108毫米的 長度和大約58毫米的寬度。第四面410可被禪合到第五面，由陰影區(qū)域412所指示的。
[0027] 第五面412可W具有大約78毫米的長度和大約28毫米的寬度。第五面412可被 禪合到過孔414。過孔414可被適當(dāng)?shù)囟U合到過孔404,W完成用于Tx線圈400的電路。 [002引圖5A圖示了在線圈的面之間具有非均勻間距的線圈的頂視圖。在本文所描述的 方面中，線圈被形成，其在基于比率的線圈的面之間具有間距。該比率可W基于圖4所示的 巧帽。面之間的間距可W是非均勻的，并且可W導(dǎo)致增加的磁場的均勻性。為了產(chǎn)生低的 場變