概述

无线充电联盟 (WPC) Qi 标准的实施让各种终端应用拥有了无线充电功能。每一种应用的接收机 (Rx) 线圈的尺寸和/或功率要求可能会不同。要想实现一种成功、高效的 Qi 标准 Rx 设计，Rx 线圈是一个关键组件。另外，我们还有许多设计方法和平衡折中需要考虑。因此，在实施某个解决方案时，设计人员必须谨慎选择方法，并且有条不紊地进行设计。本文将详细讨论实现一种成功的 Rx 线圈设计所要解决的一些技术问题。文章涉及基本变压器的 Qi 标准系统模型、Rx 线圈测量与系统级影响，以及检查某个设计是否能够成功运行的一些方法。我们假设，本文读者已掌握 Qi 标准电感式电源系统的基础知识。如欲了解背景资料，敬请参阅《参考文献 2》。

变压器 Qi 标准系统

对于许多近场无线电源系统(如 WPC 规定的无线电源系统)而言，使用一个简单的变压器，便可以对磁电力传输行为建模。传统变压器通常为单一物理结构，两个绕组缠绕一个磁芯材料，且磁芯导磁性远高于空气(图 1)。由于传统变压器使用高导磁性材料来传输磁通量，因此一个线圈所产生的大部分(并非全部)磁通量与另一个线圈耦合。耦合程度可以通过一个被称作耦合系数的参数来测定，其以k(取值范围为 0 到 1)来表示。

图 1 一个物理结构的传统变压器

3 个参数定义一个双线圈变压器：

L11 为线圈 1 的自电感。

L22 为线圈 2 的自电感。

L12 为线圈 1 和 2 的互感。

两个线圈之间的耦合系数可以表示为：

那么，利用图 2 所示耦合电感器，便可以对理想变压器建模。

利用该电感器的电压和电流关系，便可得到该双线圈变压器的波节方程式：

为了方便进行电路分析，图 2 所示模型可以悬臂模型常用名称来表示，如图 3所示。此处的磁耦合和互感，被简化为漏电感和磁化电感。这样，通过一个电路实现，我们便可以理解这种耦合的物理性质。就理想变压器而言，我们可以使用下列方程式计算出其匝数比：

图 2 传统变压器的理想模型

图 3 传统变压器的悬臂模型

在强耦合系统中，漏电感占磁化电感的百分比很小，因此在求一次近似值时，该参数可以忽略不计。除高耦合外，Qi 标准系统中使用的串联谐振电容也会降低漏电感的影响。所以，主线圈到次线圈的电压增益的一次近似值为：

Qi 标准系统的变压器由两个独立物理器件组成：发射器 (Tx) 和接收机 (Rx)，并且各自有一个隔离的线圈。当 Tx 和 Rx 相互靠近放置时，它们会形成一种耦合电感关系，其可以简单地被建模为一个使用空气磁芯的双线圈变压器(请参见图 4)。两端的屏蔽材料起到一个磁通短路的作用。这让磁场线(磁通量)存在于两个线圈之间。图 5 显示了典型运行期间磁场线的 2D 仿真情况。