I标准的线圈结构设计'> 基于QI标准的线圈结构设计

摘 要：在研究分析非接触感应充电原理基础上，建立了非接触感应充电系统的电路模型，推导出系统的传输效率函数式，利用Maxwell仿真分析了线圈匝数、直径、屏蔽形状、屏蔽与各级线圈间的距离和屏蔽厚度对耦合系数的影响，设计了一种符合Qi标准的线圈结构，为非接触感应充电技术研究人员提供参考应用。

关键词：Qi标准；Maxwell；非接触感应；线圈

引言

电子产品的大量使用，使得充电设备越来越多，有线充电和非接触感应充电是现在的主要供电形式。而非接触感应充电采用电磁感应原理，由于充电器与待充电子产品之间没有接点，不会产生接触不良、漏电等危险。然而非接触感应充电也存在缺点，能量是通过线圈间的交变磁场进行传递，磁场强度会随着线圈间距离的变化而变化，进而影响充电效率。因此，对电磁感应技术的研究显得尤为重要，特别是线圈的结构设计。作为非接触感应充电行业的标准，无线充电联盟（Wireless Power Consortium）制定的Qi标准由三部分构成，即Interface Definition、Performance Requirements和Compliance Testing。

1 非接触感应充电原理

利用电磁感应耦合对设备供电，在初级侧和次级侧各有一个线圈，初级侧线圈（即初级线圈）与电源相连接，通过整流滤波、高频逆变电路把交流电流转化成电磁信号，次级侧线圈（即次级线圈）感应电磁信号并转化成交流电流，交流电流经过整流滤波、稳压转换成直流电流给设备充电。非接触感应系统框架如图1所示。

2 非接触感应电路模型

非接触感应系统电路模型如图2所示。

式中：US为交流电压；？棕为谐振频率；I1和I2分别为初级电路和次级电路的电流；R1和R2分别为等效电阻；C1和C2分别为初级和次级串联的共振电容；L1和L2分别为初级绕组和次级绕组的电感；M为互感；RL为负载

当初级和次级处于同一谐振频率时，达到最佳谐振状态，此时有？棕L1=？棕L2=1/？棕C1=1/？棕C2。

由上式可知，非接触感应充电系统的传输效率与初、次级线圈的内阻、互感和负载有关。

3 Maxwell有限元仿真

通过分析可知，传输效率也受线圈间距离和偏移量等影响，随着线圈间距离、偏移量等的变化，传输效率也会变化。

文章选用Qi标准中A11型线圈在外部激励为1A电流，100KHZ频率下进行仿真研究，分析线圈匝数、线圈直径、次级屏蔽形状、次级线圈与屏蔽间的距离、初级屏蔽形状、初级线圈与屏蔽间的距离和屏蔽厚度对耦合系数的影响。利用Maxwell建立三维模型如图3所示。

3.1 线圈匝数对耦合系数的影响

当初、次级线圈之间的距离为4mm，其他仿真参数不变的情况下，通过改变线圈匝数，得到匝数对耦合系数的影响如图4所示。

从图中可以看出，当次级线圈匝数N=11匝时，耦合系数最高，说明线圈之间的耦合程度最好。

3.2 线圈直径对耦合系数的影响

当次级线圈匝数N=11匝，线圈间距为4mm，其他仿真参数不变的情况下，建立三维模型如图3所示。通过改变线圈直径，得到线圈直径对耦合系数的影响如图5所示。

从图中可以看出，当次级线圈直径为D=45.3mm时，耦合系数最高，说明线圈之间的耦合程度最好。

考虑到初、次级线圈之间的距离对耦合系数也有影响，通过仿真分析可以得到线圈直径、两线圈之间的距离对耦合系数的影响如图6所示。

从图中可以看出，初、次级线圈之间的耦合系数随着两线圈间距L和线圈直径的变化而变化。

3.3 次级侧屏蔽对耦合系数的影响

限于手机尺寸的要求，屏蔽不可能无限大。通过仿真分析次级屏蔽的形状、厚度和屏蔽与次级线圈之间的距离对耦合系数的影响，得到下面的影响曲线。

从图7中可以看出，次级侧屏蔽形状为方形时的耦合系数高于圆形屏蔽的耦合系数，说明方形屏蔽更有利于两线圈之间的耦合。

从图8中可以看出，当次级屏蔽厚度为0.9mm时，耦合系数最高，说明初、次级间的耦合程度最好。

从图9中可以看出，当次级线圈和次级侧屏蔽的距离为0mm时，耦合系数最高，初、次级线圈的耦合程度最好。

3.4 初级侧屏蔽对耦合系数的影响

限于手机尺寸的要求，屏蔽不可能无限大。通过仿真分析初级屏蔽的形状、厚度和屏蔽与初级线圈之间的距离对耦合系数的影响，得到下面的影响曲线。

从图10中可以看出，初级侧屏蔽形状为方形时的耦合系数高于圆形屏蔽的耦合系数，说明方形屏蔽更有利于两线圈之间的耦合。

从图11中可以看出，随着初级侧屏蔽厚度的增加，初、次级线圈之间的耦合系数增加缓慢，考虑到实际所需，选择合适的初级侧屏蔽厚度。

从图12中可以看出，当初级线圈和初级侧屏蔽的距离为0mm时，耦合系数最高，初、次级线圈的耦合程度最好。

考虑到初、次级线圈之间的距离对耦合系数也有影响，通过仿真分析可以得到偏移量S、两线圈之间的距离L对耦合系数的影响如图13所示。

从图13中可以看出，随着线圈间距L和偏移量S的减小，初、次级线圈间的耦合程度逐渐增加。

3.5 仿真结果

通过以上仿真分析，设计了一种符合Qi标准的线圈结构，当两线圈间的距离为4mm时，初、次级线圈间的耦合系数可以达到0.763。参数如表1所示。

4 结束语

利用Maxwell对Qi标准中A11型线圈进行研究，通过仿真分析线圈匝数、线圈直径、屏蔽形状、屏蔽厚度和屏蔽与各级线圈间距对耦合系数的影响，设计了一种符合Qi标准的线圈结构，仿真结果表明，当初、次级线圈之间的距离为4mm时，线圈间的传输效率可以达到0.763，对非接触感应产品的研究开发具有一定参考价值。

参考文献

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