一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构模型与优化方法与流程

本发明设计无线电能传输技术领域，特别是涉及一种PCB谐振线圈。

背景技术：

磁耦合谐振式无线能量传输技术在近年来发展迅速。与传统的感应式无线能量传输相比,该技术可以在保持以上传输效率的前提下,将传输距离扩展至一倍于线圈直径,且具有更好的电磁兼容性。在该传输系统中,发射线圈和接收线圈为具有相同谐振频率的自谐振线圈,其设计上有以下要求：

1.具有较高的机械稳定性和设计、制造精度,以保证其自谐振频率的精确性具有一定量的杂散电容, 以使其自谐振频率不至过高；

2.尽可能的提高其品质因数值,该参数将极大的影响传输距离和传输效率在设计阶段能够较为准确的对其特性包括自谐振频率、品质因数等进行仿真计算。

在近年的研究中,出现了多种谐振线圈的结构,例如使用铜线或铜带绕制的空心螺旋状或蜗状线圈忽略其自身杂散电容,而通过串联集中式电容来实现谐振的密绕式线圈、通过串联同轴电缆以增大其杂散电容的线圈利用印刷电路板来制造的平板型蜗状线圈等等。其中基于PCB的平板型线圈由于其具有高精度、高稳定性、易于制造、易于与辅助电路集成等优点,尤其适用于诸如个人移动终端、机器人充电、植入式医学设备等各种中小功率场合。当前,虽然国内外均有出现过采用PCB谐振线圈的无线能量传输系统,但大都为简单的单层线圈,其电感量和杂散电容均较小,使得自谐振频率过高且很少对其自谐振频率、品质因数等参数进行系统的设计和优化。对于考虑杂散参数的线圈特性分析和设计,当前已有的方法大都针对的是诸如电流互感器、工等其他领域,这些设计方法与思路并不能很好的用于磁耦合谐振式无线能量传输当中。

技术实现要素：

针对背景技术中所述的目前在磁耦合谐振式无线能量传输中采用的谐振线圈及其参数设计与优化方面存在的问题,本发明提出了一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构、模型与优化方法。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构，其特征在于，所述渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈为双层或多层线圈，层间由过孔链接，分为内螺旋与外螺旋，根据过孔位置判断其螺旋方向，即过孔在最内匝为内螺旋，过孔在最外匝为外螺旋。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的模型，其特征在于，其等效电路，是由该线圈每匝布线等效为一个电感与一个电阻的串联，将两匝的布线与匝间介质等效为一个电容，同时根据过孔位置判断其螺旋方向，即过孔在最内匝为外螺旋，过孔在最外匝为内螺旋，最后根据结构画出等效电路。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的模型，其特征在于，其特征参数，由层数α，总匝数αN、匝周长 li、每匝线宽wi、匝间距si(i指匝次，i<＝N)、覆铜厚度t、层间距d等参数决定，其中，线宽wi服务于“宽”，线间距si服务于“开”。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的模型，其特征在于，其数学模型，是该线圈的品质因数Q与特征参数的折算关系，首先列出品质因数Q与电阻R、电容C、电感L的函数关系：Q＝f(L,C,R)，随后列出电阻R、电容C、电感L与该线圈特征参数的函数关系：(L_i,C_i,R_i)＝g(w_i,s_i,l_i,αN,t,d)，最后得出数学模型：Q＝h(w_i,s_i,l_i,αN,t,d)，其中线宽w_i、线间距s_i、变化为重点。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的优化方法，其特征在于，使渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈在特定谐振频率带宽内保持高Q值，同时在考虑尺寸等约束条件下，对其进行优化设计。

所述的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的优化方法，其特征在于，所述的特定谐振频率带宽，是工作频率点附近特定范围的带宽，通过无线电能传输系统中存在的频率分裂现象分析来确定。

所述的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的优化方法，其特征在于，所述的优化设计方法，首先根据约束条件设置参数变化区间，主要是线宽w_i、线间距s_i的变化区间，通过上述的数学模型，利用数学中可用的多目标优化算法对Q值进行寻优。

所述的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的优化方法，其特征在于，所述的渐宽是指线宽w_i由内向外逐渐变大，同时决定着层间分布电容值的变化；渐开是指线间距s_i由外向内逐渐变小，同时决定着匝间分布电容值的变化和总匝数的变化。

本发明的有益效果是：

采用工艺进行无线能量传输中谐振线圈的制造,保证了线圈自谐振频率的精确性和稳定性,从而有效避免了传输系统因线圈结构不稳定而脱离谐振状态；

同时使用板的上下两层来安放线圈,从而在有限的基板尺寸中获取了更大的电感量,并且充分利用两层正对线圈的平板电容效应,增大了线圈的杂散电容,降低其自谐振频率,从而减小了前端电源的设计难度。

附图说明

图1是本发明提供的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构示意图；

图2是本发明提供的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的等效电路图；

具体实施方式

下面结合附图,对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的,而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的结构示意图。图1以双层方形线圈为例，包括顶层线圈(图左)、底层线圈(图右)、过孔位置，层间由过孔连接，分为内螺旋与外螺旋，根据过孔位置判断其螺旋方向，从顶层线圈的俯视图来看，过孔在最内匝时，线圈螺旋向内，称为内螺旋，过孔在最外匝时，线圈螺旋向外，称为外螺旋。

图2是本发明提供的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的等效电路图。其等效电路，是由该线圈每匝布线等效为一个电感与一个电阻的串联，如图中电感与电阻串联部分；将两匝的布线与匝间介质等效为一个电容，该电容匝间介质分为空气、PCB层间介质两种，其中空气介质的电容等效为图中与电感电阻并联的电容(横向排列)，层间电容等效为纵向排列的电容。其中纵向排列的电容C1或CN，根据过孔位置不同，在内螺旋或外螺旋时，分别代表过孔电容。

图2中的各个等效元件的参数即为特征参数。一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的模型，其特征参数，由层数α，总匝数αN、匝周长li、每匝线宽wi、匝间距si(i指匝次，i<＝N)、覆铜厚度t、层间距d等参数决定，其中，线宽wi服务于“宽”，线间距si服务于“开”。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的模型，其特征在于，其数学模型，是该线圈的品质因数Q与特征参数的折算关系，首先列出品质因数Q与电阻R、电容C、电感L的函数关系：Q＝f(L,C,R)，随后列出电阻R、电容C、电感L与该线圈特征参数的函数关系：(L_i,C_i,R_i)＝g(w_i,s_i,l_i,αN,t,d)，最后得出数学模型：Q＝h(w_i,s_i,l_i,αN,t,d)，其中线宽w_i、线间距s_i、变化为重点。

一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的优化方法，其特征在于，使渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈在特定谐振频率带宽内保持高Q值，同时在考虑尺寸等约束条件下，对其进行优化设计。

所述的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的优化方法，其特征在于，所述的特定谐振频率带宽，是工作频率点附近特定范围的带宽，通过无线电能传输系统中存在的频率分裂现象分析来确定。

所述的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的优化方法，其特征在于，所述的优化设计方法，首先根据约束条件设置参数变化区间，主要是线宽w_i、线间距s_i的变化区间，通过上述的数学模型，利用数学中可用的多目标优化算法对Q值进行寻优。

所述的一种渐宽渐开螺旋PCB谐振线圈的优化方法，其特征在于，所述的渐宽是指线宽w_i由内向外逐渐变大，同时决定着层间分布电容值的变化；渐开是指线间距s_i由外向内逐渐变小，同时决定着匝间分布电容值的变化和总匝数的变化。

以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。