无线充电产品
无线充电模式和标准
无线、无接触式无线充电(Wireless Power Transfer：内置在电子设备中的二次电池充电方式，又称非接触电源和非接触电源传输），正在迅速普及。 TDK为智能手机、笔记本电脑等设计的中低输出无线充电产品提供低输出无线充电产品，还包括工业设备EV更大功率的无线充电产品，如电动无线充电产品应超小型和薄型可穿戴设备/保健设备。 无线充电方式多种多样，(图1)。
图1 无线充电的主要方式
无线充电的主要标准是促进标准化的行业集团WPC(Wireless Power Consortium)的Qi、AirFuel Alliance(2015年，A4WP与PMA合并后成立的行业集团)AirFuel等。 TDK作为WPC以及AirFuel Alliance特许经营企业开始研发电磁感应和磁共振等无线充电所需的技术，生产和提供符合各种标准的无线充电线圈等产品。 以下将介绍TDK新开发的无线充电系统基于电磁感应无线充电原理、关键技术和电磁感应，无需准确定位（免定位），可同时充电多个小型电子设备。
电磁感应和磁共振的优缺点
电磁感应式和磁共振式无线充电通过接收和发射线圈产生的磁场进行电力传输。现在市场上有很多充电盘，只需要放在上面就可以通过无接触的方式给智能手机充电，这些产品都是电磁感应式(低功率Qi标准等)的无线充电方式。电磁感应无线充电技术一直广泛应用于电动剃须刀、移动电话等产品。其优点是原理和结构简单，成本低。然而，当发射线圈与接收线圈之间的对置距离变大时，电力传输效率会迅速下降，因此线圈之间必须保持近距离，这是该技术的缺点。 磁共振无线充电将电容器插入发射侧和接收侧形成LC谐振电路在发射侧与接收侧的谐振频率一致后进行电力输送。这种方法的优点是可以扩大线圈的对置距离，即使线圈之间的中心稍微偏移。因此，它也可以作为多个移动设备的充电垫。 图2显示了电磁感应和磁共振的基本电路以及双方的特点。
| 电磁感应式 | 磁共振式 | |
|---|---|---|
| 可供电距离 | 10mm以下(*) | 50mm以下(*) |
| 系统结构的难度 | 相対容易 | 相対困难 |
| 系统成本 | 相対便宜 | 昂贵(估计) |
| 产品尺寸 | 可小型化 | 难以小型化 |
| 同时，充电台的数量 | 1对1 | 可多台充电 |
(*)这取决于线圈的尺寸和功率
磁共振不仅可以拉大可供电距离，还可以在行驶过程中进行EV近年来，电池充电已成为备受关注的无线充电技术。但由于磁共振系统复杂，难以小型化，电磁感应式在可穿戴设备、助听器等小型电子设备的无线充电方面仍有很大优势。为此，这里将就电磁感应式无线充电原理及技术进行更深入的说明。
决定电磁感应无线供电传输效率的因素
在电磁感应无线充电中，线圈之间需要保持较近的距离，因为线圈之间的距离越大，一些磁通量就会变成漏磁通量(leakage flux)无法传输，导致两个线圈的磁耦合减弱(图3)。 将发射线圈和接收线圈的电感分别设置为L1、L2.两个线圈之间的互感设置为M，以耦合系数k表示磁耦合程度，可设置以下公式。 k＝M/√L1?L2
图3 两个线圈之间的耦合系数
两个线圈的电感和互感存在L1?L2≧M耦合系数的值为0≦k≦在1的范围内。理想情况下，耦合系数为1，但实际值小于1，线圈间距越大，泄漏越多，导致耦合系数下降，最终变为0。 因此，目前的主要重点是尽量减少耦合系数小于1的损耗，从而提高电磁感应无线充电的功率传输效率。 铜损坏和铁损坏是导致电力传输效率降低的主要原因。
| 铜损 | 流过线圈导线的电流造成的损失。导线的直流电阻越小，损耗越少。但在电磁感应式无线充电系统中会使用高频交流电流。随着频率的增加，交流电流将在表面（皮肤效应），而不是在导线内流动，因此有效截面积将变小，从而增加电阻。将多条具有绝缘包层的细线拧成绞线，用于发射和接收线圈，以减少表面电阻造成的损失。 |
|---|---|
| 铁损 | 最初是指用于聚焦线圈产生磁线的变压器磁芯的损失，包括涡流损失、磁滞损失等。在无线充电中，相当于变压器磁芯的磁片也用于发射和接收线圈。如下所述，其特性与电力传输效率密切相关。 |
采用先进的磁性技术TDK无线供电用线圈
用于给智能手机充电的电磁感应无线充电系统主要在高频(约100~2000kHz)它被使用，因为它可以在频带中获得更高的功率传输效率。然而，除了线圈间隔外，甚至线圈中心的少量位置偏移也会降低功率传输效率。因此，准确定位发射线圈和接收线圈尤为重要。 例如，为了实现准确的定位，WPC对低功率(最大5)W)的Qi标准(Volume Ⅰ Low Power)有以下三种方法的相关规范。
| ①磁铁定位模式 | 定位磁铁引力的方法。 |
|---|---|
| ②移动线圈模式 | 在检测到充电对象设备后，发射线圈通过驱动装置移动到该位置。 |
| ③线圈阵列模式 | 提前安排多个发射线圈，使位于设备正下方的发射线圈工作。 |
这三种方法中最简单的一种是①磁铁定位方法。然而，这种方法是通过安装在发射线圈中心的磁磁力来吸引安装在接收线圈中心的磁体进行定位，因此在磁路设计中必须考虑。 同时，如果上述三种方式都不能正常工作，接收线圈就不能通过认定。为此，，TDK首先，适用于磁铁定位的设计和生产Tx(发射)线圈单元Rx(接收)线圈单元，然后开发适合移动线圈和线圈阵列的产品。图4显示TDK符合WPC的Tx线圈单元(例)。
尺寸及WPC规格：Φ50mm(A10)
尺寸及WPC规格：52×52mm(A1、A9)
尺寸及WPC规格：100×56mm(A6)
图4 符合WPC的TDK无线充电用Tx线圈单元(例)
磁片材料和厚度需要仔细设计
在适用于无线充电的智能手机和其他移动设备中，接收线圈和磁性需要尽可能薄。然而，磁性材料的特性和厚度需要仔细设计。这是因为如果磁片太薄，就会导致磁饱和问题。如果发生磁饱和，线圈的电感会突然降低，这可能会阻碍无线充电过程。 同时，根据接收线圈的不同部件，也可能引起异常发热。例如，如果接收线圈的装载位置靠近电池，磁性板将无法充分发挥磁屏蔽特性，从而使高频磁通贯穿磁性板，直到电池盒。一般来说，电池盒的材料是铝，高频磁通量会导致盒子表面涡流，铁损坏不仅会降低电力传输效率，还会导致异常加热。特别需要确保磁屏蔽是磁定位接收线圈侧。这是因为在这种方式下，除了从发射线圈输出的高频磁通外，还需要从磁铁中吸收和屏蔽磁通。 软磁性材料与磁屏蔽特性密切相关。TDK在无线充电发射线圈单元和接收线圈单元的磁片中，采用高频铁氧体或软磁性金属材料，用于变压器或扼流圈磁芯。因此，它不仅可以有效地聚焦磁线，提高电力传输效率，还可以抑制噪声（图5）的产生。
图5 磁性片材在无线充电线圈中的作用
根据输出的大小，无线充电系统有很多标准。 WPC2010年制定低电力(最大5)W)的Qi标准(Volume Ⅰ Low Power)之后，2015年制定了中电(5~15W)的Qi标准(Volume II Medium Power)。 TDK开发了各种定制标准产品，不仅可用于智能手机、笔记本电脑和15台中低输出产品W上述高输出型也可用于超小型和薄型可穿戴设备或保健设备的无线充电，不到2W超低输出小线圈。 图6所示为TDK无线充电相关产品的输出型与其主要用途。
图6 TDK无线充电相关产品的输出和主要用途
在超小型、薄型可穿戴设备和卫生保健设备的无线充电模式中，上述电磁感应模式具有很大的优势，因为其原理和结构非常简单。然而，在过去，电磁感应模式只能单独充电每个模式。TDK以电磁感应为基础，新开发了小型低输出无线充电系统，克服了其缺点。
无线供电所需的可穿戴设备、助听器等技术
在市场上，可穿戴设备有手表、腕带、装饰等类型，但在这种小型设备中子设备中，由于搭载的电池小于移动设备，因此需要进行频繁充电。同时，连接器插入式以及接点式等充电方式会因端子破损或腐蚀导致充电不良等问题发生。 电磁感应式无线充电的优点在于能够解决这类问题，并方便地应对小型化。然而，在以往的电磁感应式中存在发射线圈与接收线圈的位置精度要求严格，难以同时进行多台充电等问题（图7）。
图7 以往用于穿戴式设备的充电系统的问题与课题
为解决这些问题，TDK全新开发了小型低输出无线充电系统。 这是一种划时代的系统，它是在电磁感应式无线充电技术的基础上，在改善供电时的定位性这一电磁感应式弱点的同时，使其能够同时对多个产品进行充电。 图8所示为MEDTEC 2016中作为参考展示的小型低输出无线充电系统的试制产品示例。只需在壶型发射单元中放入接收单元便可开始自动充电，而无需进行定位（免定位）。同时，由于可以多个产品同时充电，因此不仅是小型穿戴式设备，使用小型纽扣电池的助听器等也可无需进行繁琐的电池更换作业，十分便利。此外，由于其完全防水，因此可方便进行清洗及灭菌。
TDK小型低输出无线供电系统解决方案
- 解决充电繁琐问题 （只需放入便开始充电，免定位）
- 可多台同时充电
- 超小型无线供电系统，不影响产品尺寸
- 无需连接器，可实现完全防水
- 通过提供输电及接收系统可实现最佳充电环境
图8 TDK全新开发的小型低输出无线充电系统(试制示例)
近年来还渐渐被运用到配备指纹认证功能及屏幕功能的高性能IC卡（称为智能卡或屏幕卡等）中。由于耗电量巨大，因此此类高性能IC卡需要频繁对内置的二次电池进行充电。图9所示为可最多同时对10张高性能IC卡进行充电的TDK无线充电系统试制示例。与分别对每张进行充电的系统相比，可大幅节约时间。
最多可同时对10张高性能IC卡（智能卡、屏幕卡等）进行无线充电。
图9 同时对多张高性能IC卡进行充电的无线充电系统(试制示例)
TDK小型低输出无线供电系统的特点
在专用于穿戴式设备、保健设备及助听器等小型电子设备的电磁感应式无线充电系统中要求使用磁性材料技术、磁路设计技术、高频技术、模拟技术等各类技术。TDK的优势在于，拥有包括以铁氧体为原点的材料技术在内，长年积累而来的综合核心技术。TDK可根据客户需求提供小型低输出无线充电系统中所必须的小型线圈（输电线圈、接收线圈）、与控制电路一体化的线圈模块等优化的高效系统。
- 超小型线圈技术：开发并提供适用于设备形状的超小型输电及接收线圈。
- 开发定制输电及接收系统：可提供实现最大效率的系统。
- 高特性柔性磁性片材：可从TDK丰富的磁性材料中选择最佳材料。
- 应对定制输出：可应对各类输出设计。
https://product.tdk.com/info/zh/products/wireless-charge/technote/tpo/index.html