浅析车载无线电源充电Tx线圈的屏蔽材料类型和厚度

使用适当地称为“野兽”的Spark Connected 15W汽车Tx无线电源系统，进行了测试，比较了Tx线圈的屏蔽材料类型和厚度。测试了四种铁氧体和一种铁粉粉末材料，并获得了EMI辐射，效率和热条件的结果。Beast平台实现了所有上述EMI抑制技术和效率改进方法。结果仅适用于线圈屏蔽层的更改。表1提供了此测试的结果。

表1：Tx屏蔽材料与厚度，效率的关系，与50 mm x 40 mm，8.22 uH Rx线圈配对

在“温度”列中，针对0.3 mm厚的屏蔽的最坏情况提供了屏蔽角（Cnr）和中心（Ctr）测量值，并用于环境+自温度升高值。对于粉末铁材料MS8，没有超过0.3 mm的单层屏蔽层厚度。使用了在7 mm距离处具有良好Tx-Rx对准的单绕组Tx线圈，并且使用较厚的屏蔽材料可以改善这种情况。

无论使用哪种屏蔽材料，对于最大0.9毫米厚度（使用3页MS8叠层）都获得了所有最大效率。这也与具有较高电感的较厚屏蔽层相吻合，该屏蔽层通过增加互感（Lm）有助于提高耦合系数，并由下式给出：

在哪里，

K –磁耦合系数
Lm –互感（也称为“ M”）
L（tx）– Tx线圈的电感
L（rx）– Rx线圈的电感

表2还显示，标记为FT2的较高µ'材料在所有厚度上均表现出最高的效率。还有其他损失源和系统因素在起作用，数据无法解决这些问题。其中之一与Tx线圈电感有关。由于谐振电路是针对性能优异的FT2材料及其相应的较高电感进行了调谐的，与其他测试的其他材料相比具有较低的电感，因此电路失调并降低了效率。在设计实践中，应注意通过调节电容来重新调节电路。

随着电流在更高功率应用中持续增加，将需要了解屏蔽材料的磁通密度饱和度（Bs）值。如果发生饱和，一定比例的磁通量会从磁屏蔽罩的背面逸出并降低效率，并且还会通过涡流在屏蔽罩后面的任何金属上产生额外的热源。这类似于表2中的较薄的屏蔽信息，这意味着屏蔽太薄不能包含所有的磁通量。

回顾上一篇文章的图1，通过在Tx线圈上施加金属化薄膜来进行另一项EMI测试，以帮助抑制图中普遍存在的低频谐波尖峰。薄膜的薄金属化层不能很好地吸收或减弱强磁场，但可以改善与偶数谐波相关的E场，直至6次谐波或762 KHz。现在在图1中显示此新图。

图1：CISPR 25 Class 5使用金属化膜测试100 KHz至30 MHz

更新后的曲线图显示，对5级要求的要求已提高到7次谐波或889 KHz。仍然需要在1-2 MHz范围内进行改进，因为准峰值略高于其在该范围内的极限。但是，该设计已通过Class 4认证。

车辆的下一步

汽车制造商已经开始他们的研究，并且初步的设计工作已经开始以更高的功率进行。下一个目标是在30-45W范围内，适用于平板电脑和低功耗笔记本电脑。WPC内还有一个委员会讨论此功率范围，该标准应在未来12个月左右推向市场。想法是，车载Tx位置可以位于前排座椅头枕的后面，也可以位于后排座椅的小袋中较低的位置。这将允许无线供电的设备连续运行或为电池充电。为了进行初步评估，在与15W系统相同的条件下测试了Spark Connected 30W Minotaur平台。表2中提供了性能最高和最低的磁性材料的结果。

表2：Tx屏蔽材料与厚度与效率的关系

在这种更高功率的情况下，由于不存在WPC标准线圈，Tx线圈现在已成为定制线圈。改进体现在更低的交流电阻值上，从而提高了系统效率。此外，Tx-Rx线圈的距离已减小到6mm，并且需要支持1.5A电流的Rx线圈现在使用绞合线来减小其AC电阻。所有这些都会带来更高的效率，并且一旦30-45W解决方案变得司空见惯，就需要成为解决方案的一部分。需要指出的是，在平板电脑和笔记本电脑上使用较厚的外壳时，以及在每个线圈上需要使用绞合线时，线圈之间的6 mm分隔间隙可能是不现实的。这可能会促使需要在每一侧使用“锅”形磁芯，该磁芯由一个磁屏蔽罩组成，该磁屏蔽罩的圆周周围有一个侧壁，以及一个较大的“曲棍球”中心升高的铁氧体磁柱。这使两个磁性片彼此物理上更靠近，并且有助于聚焦磁通线，这既提高了K又提高了效率。

即使此功率范围处于其开发周期的早期，也已经有关于将功率水平提高到65-90W的早期讨论。随着功率的每一步，设计在解决EMI，效率和散热方面变得更加关键。

结论

如所解释的，用于车载充电的无线电力系统所面临的无线电源系统面临的3个关键领域是：EMI，效率和热限制。本文涉及的关键领域是：

结果表明，可能需要多种组件和技术才能满足汽车CISPR 25 EMI的要求。

从电路设计的角度来看，具有正弦波形和软开关的推挽式拓扑结构是减少EMI辐射并提高效率的重要方法。

从Tx线圈的角度来看，表明线圈的磁性材料（高达+ 5％）和厚度（高达+ 5％）在效率中起着重要作用，并且必须是Qi EPP设计的关键考虑因素，甚至更多，当功率水平增加到30-45W范围或更高时。

还解释说，系统性能不受车辆制造商或Tx无线充电子系统制造商的完全控制。因此，通常提供的数据来自“最佳情况”方案。

突出显示的是Z间隙的影响或嵌入式Tx线圈与要充电的Rx设备（手机）之间的间隔距离的影响，并且不再适用目标最大5 mm。

更高功率的解决方案变得更加复杂，满足EMI，效率和散热要求将变得不那么重要。

安装一张TDK的透明导电性Ag堆叠膜（Ag合金或Fleclear膜）片，可以大大帮助满足低于1 MHz的CISPR 25 EMC限制。

Tx无线充电子系统的可能放置区域还有其他目标。其中一些是：在室内门区域中，在中央仪表板区域中向上，或嵌入在后排乘客的前排座椅中。如果没有适当的方法可以确保Tx-Rx线圈系统相互定向，即处于平行配置，则可能会降低耦合系数（K）和效率，从而升高温度。我们有很多期待。

致谢

作者要感谢：

1）Spark Connected的无线电源专家，特别是Ken Moore，Emanuel Stingu和Yulong Hou，因为他们了解“野兽”和“牛头怪”的知识和测试数据。

2）在德克萨斯州普莱诺的国家技术解决方案公司，它执行了系统CISPR 25测试。

编辑：hfy