2020-8-15 無線充電原理和注意事項 WCP/鐵氧體

無線充電産品

無線充電方式與标準

通過無線、無接觸式的無線充電(Wireless Power Transfer：也被稱為非接觸供電、無接觸電力傳輸)為内置于電子裝置中的二次電池充電的方式正在迅速普及。

TDK提供有多種多樣的無線充電産品，其中不僅包括為智能手機、筆記本電腦等設計的中低輸出無線充電産品、為産業裝置、EV(電動車)等設計的更大功率的無線充電産品，還可供應為超小型及薄型穿戴式裝置/保健裝置設計的産品。

無線充電方式多種多樣，但當今主流方式是通過磁耦合進行電力傳輸的電磁感應式與磁共振式(圖1)。

圖1　無線充電的主要方式

無線充電的主要标準有推進标準化的行業團體WPC(Wireless Power Consortium)的Qi、AirFuel Alliance(2015年，A4WP與PMA合并後成立的行業團體)的AirFuel等。

TDK作為WPC以及AirFuel Alliance的加盟企業，早期便開始了電磁感應式與磁共振式等無線充電所需技術的研發，生産并提供符合各類标準的無線充電線圈等産品。

以下将介紹TDK全新開發的無線充電系統，該系統以電磁感應式無線充電原理、關鍵技術以及電磁感應式為基礎，無需準确定位(免定位)，且可同時對多個小型電子裝置進行充電。

電磁感應式與磁共振式的優缺點

電磁感應式與磁共振式無線充電通過接收及發射線圈産生的磁場，以非接觸方式進行電力傳輸。如今市場上銷售有衆多隻需放上便可通過無接觸方式對智能手機進行充電的充電盤，而這些産品便是利用了電磁感應式（針對低電力的Qi标準等）的無線充電方式。電磁感應式無線充電技術一直以來便廣泛用于電動刮胡刀、移動式電話等産品中。其優點在于原理及結構簡單，且成本較低。然而，當發射線圈與接收線圈的對置距離變大時，電力傳輸效率便會發生急速下降，是以線圈之間必須保持較近的距離，這是該技術的缺點所在。

而磁共振式無線充電則是在發射側與接收側插入電容器，形成LC諧振電路，使其發射側與接收側的諧振頻率一緻後進行電力輸送的方式。這種方式的優點在于，可拉大線圈的對置距離，同時，即使線圈之間中心稍稍發生偏移的情況下也可進行電力傳輸。是以也可作為同時為多台移動裝置進行充電的充電墊體使用。

圖2所示為電磁感應式與磁共振式的基本電路以及雙方的特點。

電磁感應式	磁共振式
可供電距離	10mm以下(*)	50mm以下(*)
系統結構難易度	相対容易	相対困難
系統成本	相対便宜	昂貴（估計）
産品尺寸	可小型化	難以小型化
同時充電台數	1對1	可多台充電

(*)取決于線圈尺寸及功率

圖2　電磁感應式與磁共振式無線充電的基本原理以及特點的比較

磁共振式不僅可拉大可供電距離，同時還可在行駛過程中為EV蓄電池進行充電，是以在近年一舉成為了備受矚目的無線充電技術。然而，由于磁共振式的系統較為複雜，難以進行小型化，是以在穿戴式裝置及助聽器等小型電子裝置的無線充電方面，電磁感應式仍具備較大優勢。為此，這裡将就電磁感應式無線充電原理及技術進行更深入的說明。

決定電磁感應式無線供電傳輸效率的因素

在電磁感應式無線充電中，線圈之間需保持較近距離，這是因為線圈之間距離越大，部分磁通将會變為漏磁通(leakage flux)而無法進行傳輸，進而導緻兩個線圈的磁耦合減弱(圖3)。

将發射線圈以及接收線圈的電感分别設為L1、L2，兩個線圈間的互感設為M，磁耦合程度以耦合系數k表示，則可成立以下公式。

k＝M/√L1・L2

圖3　漏磁通與兩個線圈間的耦合系數

兩個線圈的電感與互感存在L1・L2≧M的關系，為此耦合系數的數值在0≦k≦1的範圍中。在沒有漏磁通的理想情況下，耦合系數為1，但實際情況中數值在1以下，且線圈間的距離越大，漏磁通會越多，進而導緻耦合系數下降，最終将會變為0。

為此，現在的主要着眼點在于，在耦合系數不到1的狀态下，盡可能減少損耗，進而提高電磁感應式無線充電的電力傳輸效率。

在發射、接收線圈部内，導緻電力傳輸效率降低的主要原因有銅損與鐵損。

銅損	因流過線圈導線的電流而産生的損耗。導線的直流電阻越小損耗越少。但在電磁感應式無線充電系統中會使用高頻交流電流。随着頻率增大，交流電流将會在表面(趨膚效應)，而非在導線内部流動，由此，有效截面積将會變小，進而使電阻增大。将多根擁有絕緣包層的細線擰成一股絞合線，并将其用于發射及接收線圈中，就是為了降低表面電阻所造成的損耗。
鐵損	原本是指用于聚焦線圈所産生磁力線的變壓器磁芯中所産生的損耗，包括渦流損耗、磁滞損耗等在無線充電中，發射及接收線圈内也會使用相當于變壓器磁芯的磁性片材。如後所述，其特性與電力傳輸效率存在緊密聯系。

采用了先進磁性技術的TDK無線供電用線圈

在用于為智能手機等進行充電的電磁感應式無線充電系統中，之是以主要在高頻(大緻為100～200kHz)中使用，是因為在該頻帶中能夠獲得較高的電力傳輸效率。然而，除了線圈間隔之外，即使是線圈中心少許的位置偏移也會導緻電力傳輸效率下降。是以，對發射線圈與接收線圈進行準确定位變得尤為重要。

為了實作準确的定位，例如在WPC針對低電力(最大5W)的Qi标準(Volume Ⅰ Low Power)中，規定有如下三種方法的相關規格。

①磁鐵定位方式	使用磁鐵引力進行定位的方式。
②移動式線圈方式	檢測到充電對象裝置後，通過某一驅動裝置将發射線圈移動至該位置的方式。
③線圈陣列方式	事先排列多個發射線圈，并使位于所放置裝置正下方的發射線圈進行工作的方式。

《針對低電力Qi标準的線圈定位方式》

在這3種方式中最為簡單的一種是①的磁鐵定位方式。然而，這種方式是通過安裝于發射線圈中心位置的磁鐵磁力，吸引安裝于接收線圈中央的磁性體進行定位，是以正如後文所述，在磁路設計中存在必須考慮的問題。

同時，若通過上述3種方式均無法正常工作時，接收線圈将無法通過Qi标準的認定。為此，TDK首先設計生産了适用于磁鐵定位方式的Tx(發射)線圈單元以及Rx(接收)線圈單元，進而根據該設計開發了适用于移動式線圈方式以及線圈陣列方式的産品。圖4所示為TDK符合WPC的Tx線圈單元(例)。

尺寸及WPC規格：Φ50mm(A10)

尺寸及WPC規格：52×52mm(A1、A9)

尺寸及WPC規格：100×56mm(A6)

圖4　符合WPC的TDK無線充電用Tx線圈單元(例)

需要進行慎重設計的磁性片材材質與厚度

在适用無線充電的智能手機等移動裝置中，所搭載的接收線圈與磁性片材要求盡可能地薄。然而，磁性材料的特性與厚度需要進行慎重的設計。這是因為，若磁性片材過薄會引起磁飽和問題。若發生磁飽和，則線圈的電感将會突然降低，進而可能對無線充電過程造成障礙。

同時，根據接收線圈搭載部位不同，也有可能引起異常發熱。例如，若接收線圈搭載位置接近電池，則磁性片材将無法充分發揮磁屏蔽特性，進而使高頻磁通貫穿磁性片材，直至電池盒中。一般情況下，電池盒的材質為鋁，高頻磁通會導緻盒子表面産生渦流，而由此引起的鐵損不僅會使電力傳輸效率降低，同時也可能引起異常發熱。特别需要確定磁屏蔽萬無一失的是磁鐵定位方式的接收線圈側。這是因為在該方式中，除了從發射線圈輸出的高頻磁通之外，還需要吸收、屏蔽來自磁鐵的磁通。

與磁屏蔽特性緊密相關的是用于磁性片材的軟磁性材料。在TDK無線充電用發射線圈單元及接收線圈單元的磁性片材中，使用有用于變壓器或扼流圈磁芯等的高頻用高特性鐵氧體或軟磁性金屬材料。由此不僅能夠高效聚焦磁力線，提高電力傳輸效率，同時也可抑制噪音的産生(圖5)。

圖5　無線充電線圈中磁性片材的作用

根據輸出的大小，針對無線充電系統制定有諸多标準。

WPC在繼2010年制定針對低電力(最大5W)的Qi标準(Volume Ⅰ Low Power)之後，還于2015年制定了針對中電力(5～15W)的Qi标準(Volume II Medium Power)。

TDK開發了各類定制标準産品，不僅能夠運用于智能手機、筆記本電腦的中低輸出型以及15W以上的高輸出型，同時還可用作面向超小型及薄型穿戴式裝置或保健裝置的無線充電，擁有不到2W的超低輸出小型線圈。

圖6所示為TDK無線充電相關産品的輸出型與其主要用途。

圖6　TDK無線充電相關産品的輸出型與主要用途

在超小型、薄型穿戴式裝置以及保健裝置的無線充電方式中，前文所述的電磁感應式因其原理及結構均十分簡單，是以具有較大優勢。然而，以往的電磁感應式存在隻能分别對每一台進行充電的缺點。為此，TDK以電磁感應式為基礎，全新開發了小型低輸出無線充電系統，很好地克服了其缺點。

穿戴式裝置、助聽器等無線供電所要求的技術

市場中，穿戴式裝置擁有手表型、腕帶型、裝飾型等各種類型，然而在這類小型電子裝置中，由于搭載的電池小于移動裝置，是以需要進行頻繁充電。同時，連接配接器插入式以及接點式等充電方式會因端子破損或腐蝕導緻充電不良等問題發生。

電磁感應式無線充電的優點在于能夠解決這類問題，并友善地應對小型化。然而，在以往的電磁感應式中存在發射線圈與接收線圈的位置精度要求嚴格，難以同時進行多台充電等問題（圖7）。

圖7　以往用于穿戴式裝置的充電系統的問題與課題

為解決這些問題，TDK全新開發了小型低輸出無線充電系統。

這是一種劃時代的系統，它是在電磁感應式無線充電技術的基礎上，在改善供電時的定位性這一電磁感應式弱點的同時，使其能夠同時對多個産品進行充電。

圖8所示為MEDTEC 2016中作為參考展示的小型低輸出無線充電系統的試制産品示例。隻需在壺型發射單元中放入接收單元便可開始自動充電，而無需進行定位（免定位）。同時，由于可以多個産品同時充電，是以不僅是小型穿戴式裝置，使用小型紐扣電池的助聽器等也可無需進行繁瑣的電池更換作業，十分便利。此外，由于其完全防水，是以可友善進行清洗及滅菌。

TDK小型低輸出無線供電系統解決方案

• 解決充電繁瑣問題

  （隻需放入便開始充電，免定位）

• 可多台同時充電
• 超小型無線供電系統，不影響産品尺寸
• 無需連接配接器，可實作完全防水
• 通過提供輸電及接收系統可實作最佳充電環境

圖8　TDK全新開發的小型低輸出無線充電系統(試制示例)

近年來還漸漸被運用到配備指紋認證功能及螢幕功能的高性能IC卡（稱為智能卡或螢幕卡等）中。由于耗電量巨大，是以此類高性能IC卡需要頻繁對内置的二次電池進行充電。圖9所示為可最多同時對10張高性能IC卡進行充電的TDK無線充電系統試制示例。與分别對每張進行充電的系統相比，可大幅節約時間。

最多可同時對10張高性能IC卡（智能卡、螢幕卡等）進行無線充電。

圖9　同時對多張高性能IC卡進行充電的無線充電系統(試制示例)

TDK小型低輸出無線供電系統的特點

在專用于穿戴式裝置、保健裝置及助聽器等小型電子裝置的電磁感應式無線充電系統中要求使用磁性材料技術、磁路設計技術、高頻技術、模拟技術等各類技術。TDK的優勢在于，擁有包括以鐵氧體為原點的材料技術在内，長年積累而來的綜合核心技術。TDK可根據客戶需求提供小型低輸出無線充電系統中所必須的小型線圈（輸電線圈、接收線圈）、與控制電路一體化的線圈子產品等優化的高效系統。

《TDK小型低輸出無線充電系統的特點》

• 超小型線圈技術：開發并提供适用于裝置形狀的超小型輸電及接收線圈。
• 開發定制輸電及接收系統：可提供實作最大效率的系統。
• 高特性柔性磁性片材：可從TDK豐富的磁性材料中選擇最佳材料。
• 應對定制輸出：可應對各類輸出設計。

https://product.tdk.com/info/zh/products/wireless-charge/technote/tpo/index.html