无线谐振器线圈中的非均匀间距的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开一般涉及用于无线充电的技术。具体地，本公开涉及高均匀度的无线充电 谐振器。
【背景技术】
[0002] 无线电力系统包括形式为功率放大器的射频源。该功率放大器可W驱动系统，并 且可W被建模为理想的恒流源。对于任何无线电力充电系统来说，重要的子系统可W包括 发送器（Tx)和接收器（Rx)线圈对。在一些方面中，该些线圈被称为谐振器。谐振器可W表 现出一定的性能特性。进一步，在接收器侧，二极管电桥可用于将输入射频信号整流成直流 信号。
【附图说明】
[0003] 图1图示了低损耗Tx线圈； 图2A是由线圈Tx线圈的面之间的非均匀间距产生的磁场分布； 图2B是由具有均匀间距的Tx线圈产生的磁场分布； 图3是图示了随着与低损耗线圈中也的距离的测量的磁场的示图； 图4图示了在线圈的面之间具有非均匀间距的线圈的顶视图； 图5A图示了在线圈的面之间具有非均匀间距的线圈的顶视图； 图5B是在线圈的面之间具有非均匀间距的线圈的侧视图； 图5C是在线圈的面之间具有非均匀间距的线圈的底视图； 图6是图示了整流器电压对线圈电流的示图； 图7图示了形成发送器线圈的方法； 图8是图示了用于确定发送器线圈中的优化的非均匀间距的方法的框图； 图9图示了具有由优化过程确定的面的示例发送器线圈；W及 图10图示了被用于充电一到多个设备的高功率线圈。
[0004] 在整个公开和图中，相同的附图标记被用于引用相同的组件和特征。100系列的附 图标记指的是最初在图1中发现的特征；200系列的附图标记指的是最初在图2中发现的 特征等。
【具体实施方式】
[0005] 本公开一般涉及用于无线充电系统中的高谐振器均匀度的技术。有若干牵连在谐 振器线圈设计中的重要因素，诸如线圈到线圈的效率、易制造性、线圈公差和成本。最重要 的因素之一可包括被配置成产生最小磁场变化（即最大场均匀度)的Tx线圈。当具有Rx线 圈的可充电设备被放置在Tx谐振器的顶上时，最大场均匀度可能是有用的。因为在该种线 圈中的主磁场分量沿着垂直于线圈的平面延伸的方向"Z"，所W均匀度是磁场的化分量中 的因素。Hz分量是在Z方向上的磁场。此磁场分量受线圈的设计影响，诸如线圈面的数量 和分布，Tx线圈到Rx线圈之间的距离，W及充电设备的物理组分（即铜钢、塑料等)。
[0006] 由于若干原因，对于无线电力系统的鲁棒操作来说，磁均匀度可W是有用的。Tx和 Rx谐振器之间的互感与磁场相关，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方向上的磁场，其由Tx线圈中的输入电流It,产生。常量y是导磁系数，并且"Nc/变量指示接收线圈（Rx线圈）中的面数。"At/变量指示Rx线圈 的表面积。在一些方面中，A"指的是Rx线圈的充电垫的表面积。接收器线圈上的输出电 压（VJ和输入电流Iiy之间的关系由等式2指示。
[0009]V=?MItx=Z21Itx 等式 2。
[0010] 在等式2中，《是角频率（2乘Wn乘W频率(赫兹)）。变量Z21是"网络参数"。 在方面中，网络参数可W描述网络中的两个组件之间的链路。变量Z21是发送器和接收器 的网络中的链接端口 1 (发送器）和端口 2 (接收器）的Z网络参数。
[0011] 如从等式1和等式2显而易见，磁场化的大变化将导致在接收器侧产生的电压的 大变化。此电压变化可W超过二极管的击穿电压。无线电力接收单元（PRU)可W包括配置 成使电压在一个方向通过的二极管。该二极管还可W被配置成使电压W相反方向通过。然 而，当电压W相反方向通过二极管时，可W施加超过其二极管开始击穿的电压限制。进一 步，电压变化在某些情况下，可W超过由二极管电桥后面的电压调节器所允许的电压范围。
[0012] 具有大的互感变化的附加问题是呈现给功率放大器（PA)的负载。在该种情况下， Tx线圈和Rx线圈是电力传输系统内的组件。互感的变化发生在两线圈之间，并且该变化具 有对双方的影响。在接收侧，该影响是电压变化将是大的，如等式2所示。在发送侧，功率 放大器的阻抗将是大的，因为阻抗也是互感的函数，如等式3所示。
[0013] Zhin-Rtx+ ("M) //(Rkx+Rload) 專式 3。
[0014] 在等式3中，Zhi。是呈现给功率放大器（PA)的负载，Rh是发送器的损耗电阻， Rh是接收器的损耗电阻，而RiMd是接收器的负载。
[0015] 大多数的PA设计被限制在它们可W容忍的负载变化中，同时W高效率提供功率。 从等式3显而易见的是，大的场变化将导致由PA驱动的大的输入阻抗，其与互感的平方成 比例。进一步，当移动充电设备从高禪合区域到低禪合区域时，系统可能无法在短时间段提 供足够的电力，从而导致充电电力的暂时丧失。
[0016] 传统线圈设计可包括许多在面之间具有类似间距的面。然而，许多具有类似间距 的面产生高度非均匀的场分布，因为由每个面产生的相消场和相长场将W高度非均匀的方 式聚集起来，从而导致大的场变化。
[0017] 图1图示了低损耗Tx线圈。为了减轻由大的磁场变化引起的影响，优化的Tx线 圈设计可W包括在线圈的面之间具有非均匀间距的Tx线圈，如由括弧102和104之间的相 对长度所指示的。非均匀间距可W导致相对更均匀的磁场，如下面图2所示。所提出的设 计减少了变化，同时使系统的其它组件能够W鲁棒的方式进行操作。
[0018] 在一些方面中，Tx线圈100可W形成在印刷电路板（PCB)中，如图1所示。使用 PCB来实现线圈可W允许制造中的过程变化上的非常严格的控制。此外，因为PCB技术是非 常成熟的技术，所W它适于大批量制造，也易于与电路板集成。另一个优点是，与没有集成 至IJPCB中的线圈相比，可能用该种技术实现的相对低的"Z"高度。在此设计中，与大约4. 2 毫米的传统线圈相比，该PCB线圈板的总厚度可W大约是0. 8毫米。
[0019] 此外，相对于不包括PCB集成线圈的传统设计，提高了从Tx线圈到Rx线圈的电力 传输的效率。当集成在PCB内时，该种效率由于Tx线圈的电阻而被部分实现。然而，在一 些情况下，PCB线圈由于介电损耗和小的迹线厚度而表现出高电阻。为了抗击由于介电损 耗和小的迹线厚度而引起的此高电阻，在本文中所描述的技术包括通过使用过孔并行地连 接H个相同的PCB金属层构成的线圈。使用该种技术，允许低损耗线圈的设计。
[0020] 该种设计的另一个特性是，相对于Rx线圈的位置减少磁场变化。减少的磁场变化 对实现无线电力传输系统所要求的性能至关重要。
[0021] 图2A是由线圈Tx线圈的面之间的非均匀间距产生的磁场分布，而图2B是由具有 均匀间距的Tx线圈产生的磁场分布。在与线圈相距11毫米处，在一般由箭头202所指示 的线圈区域上的磁场的Z分量的分布如图2A所示。如图2A所示，在线圈区域202内的磁 场是均匀的，其中当由0.5安培的电流源驱动时，其大小约为10A/m。正如所预期的，场的 大小朝线圈的边缘迅速地下降，在204处指示了该种区域。相比之下，具有均匀间距的Tx 线圈在一般由箭头206所指示的线圈区域内产生了非均匀的磁场分布。
[002引图3是图示了随着与低损耗线圈中也的距离的测量的磁场的示图。在示图300中 的分布具有磁场量测线的Z分量。如图3所示，为了W更精确的方法来量化磁场的变化，所 述场在线圈（-70毫米到+70毫米）上沿着y轴被绘制。沿着该条线，所述场在9. 2和10. 7 A/m之间变化（+/- 8%)。为了比较均匀设计的Tx线圈的性能，考虑到传统的线圈。
[0023] 图4图示了在线圈的面之间具有非均匀间距的线圈的顶视图。参考图4,在X方 向上的距离可W被称为"长度"，而在y方向上的距离可W被称为"宽度"。示例Tx线圈400 可在PCB板上实现为迹线，该PCB板在X方向上具有大约143. 5毫米长的长度，W及在y方 向上大约91毫米的宽度。
[0024] Tx线圈400的"面"在本文中可W称为Tx线圈的周向部分。第一面，由阴影区域 402所指示，可W具有大约140毫米的长度和大约90毫米的宽度。第一面可被禪合到过孔 404和第二面，由阴影区域406所指示的。
[0025] 第二面406,可W具有大约132毫米的长度和大约82毫米的宽度。第二面404可 被禪合到第H面，由阴影区域408所指示的，其具有大约124毫米的长度和大约74毫米的 觉度。
[0026] 第H面406可被禪合到第四面，由阴影区域410所指示的，其具有大约108毫米的 长度和大约58毫米的宽度。第四面410可被禪合到第五面，由阴影区域412所指示的。
[0027] 第五面412可W具有大约78毫米的长度和大约28毫米的宽度。第五面412可被 禪合到过孔414。过孔414可被适当地禪合到过孔404,W完成用于Tx线圈400的电路。 [002引图5A图示了在线圈的面之间具有非均匀间距的线圈的顶视图。在本文所描述的 方面中，线圈被形成，其在基于比率的线圈的面之间具有间距。该比率可W基于图4所示的 巧帽。面之间的间距可W是非均匀的，并且可W导致增加的磁场的均匀性。为了产生低的 场变