[发明专利]一种用于无线充电的低电场发射端线圈

说明书

技术领域

本发明属于无线充电部分技术领域，尤其涉及一种用于无线充电的低电场发射端线圈。

背景技术

基于A4WP的无线充电系统工作在6.78MHz，它的电源发射端(PTU)的线圈设计通常需要多圈的螺旋结构以满足磁场一致性和与电源接收单元(PRU)的耦合的需求。最大的挑战在于线圈的设计，特别是设计一个大面积的线圈。由于累积的寄生电容相较于工作在低频率或者小尺寸的线圈会更大，因此能量损耗也会更大。

现有技术无线充电线圈的简易电路模型和等效寄生电容中，等效寄生电容C代表了线圈单圈之间寄生电容的总和，L代表了多圈线圈的总电感量，R表示线圈的交流和直流电阻和。在引入寄生电容C后，并联LC电路的等效阻抗和容抗可以用如下公式表示：

由于线圈的L和C组合的谐振频率远低于工作频率ω，电路等效电阻和电感可以简化为：

在这个表达式中，很小的并联电容对于线圈电感和电阻有倍增的作用。从物理上而言，加上很小的并联电容引入了一条与电感中电流相反的电流路径，因此当此电路被恒流源驱动时(如大多数A4WP无线充电系统实现)，流入电感L和电阻R的电流为(I+ΔI)，从而增加了等效电阻和电感。

寄生电容除了会引入能量传递时的磁场(H-field)，同时在近场也会引入很强的电场(E-field)。发射端线圈中很强的电场会影响发射端模块的EMC认证。此外，它会导致发射端线圈的调谐对于外界接近的物体非常敏感，如电介质材料，人的手等，使得电源发射端系统不够稳定，甚至失效。

综上，传统的无线充电线圈设计受制于自身寄生电容的作用，使得位置的灵活性和电源传输距离受到了限制。

寄生电容效应产生很强的电场，会形成对接收端设备的干扰，从而影响接收端设备充电的灵活性；且因为由于电场产生的EMI和RF干扰更大，因此发射功率会受到限制，从而影响电源传输距离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于无线充电的低电场发射端线圈，旨在解决传统的无线充电线圈设计受制于自身寄生电容的作用，使得位置的灵活性和电发射功率会受到限制，从而影响电源传输距离的问题。

本发明是这样实现的，一种用于无线充电的低电场发射端线圈，所述用于无线充电的低电场发射端线圈在A4WP发射端线圈的每个单圈之间引入用于降低自身寄生电容的负面影响和降低EMI和RF干扰(RFI)的辐射干扰的调谐电容；调谐电容的电容量使得单圈线圈发生自谐振，阻挡相邻线圈圈数之间的交流电压的累计，并使近场磁场效应最小化电场产生。

进一步，调谐电容每个线圈电流值相同。

进一步，使近场磁场效应的同时最小化电场的产生方法包括：

插入的调谐电容通过模型化，等效为C_s1～C_s5，与单圈的电感L₁～L₅和电阻R₁～R₅串联；

插入的调谐电容抵消每圈上的等效电感，使得在每圈的相同位置的感抗为0；当此线圈由恒流源驱动时，每圈线圈之间相同位置上的电压差也最低；使得通过寄生电容的回流电流接近为0；每圈的电流也与驱动恒流源的电流相同；线圈单圈之间的零电压差使近场电场效应最小化。

本发明为谐振式无线充电产品系列提供了一个低电场的线圈，优势在于电场干扰更小，更易通过FCC EMI认证，并为大面积1：N充电应用提供了稳定的线圈。

本发明在A4WP发射端线圈的单圈之间通过引入电容调谐从而降低自身寄生电容的负面影响的方案。引入的调谐电容的电容量使得单圈线圈发生自谐振，避免了相邻线圈圈数之间的交流电压的累计，从而在保证近场磁场效应的同时最小化了电场的产生。本发明同时降低了EMI和RF干扰(RFI)的辐射干扰。

与传统线圈电流值比较，本发明提供的方案通过选择合适的调谐电容，能够保证每圈线圈电流值相同(I₆～I₁₀＝I₀)。但传统方案由于寄生电容的累计效应，每圈线圈上的电流值很大(I₁～I₅-ΔI₁～ΔI₅＝I₀)。

传统线圈和本发明中低电场线圈相比，传统的线圈只有一个并联电容，本发明每圈上都串接了调谐电容。这两个线圈的尺寸一致，并对距离线圈12mm处的磁场分布一致性进行了优化，因此它们单圈间隔不一样。