无线充电——你不知道的知识

无线充电——你不知道的知识

1.无线充电系统

1.1无线充电系统整体结构与功能

图1 无线充电系统结构

——图片来源于《应用于便携式电子设备的小功率无线充电系统的研究与开发》

整流滤波：将220V/50Hz的交流电转换为高压直流电；

DC-DC：将高压直流电降压，输出低压直流电；

高频逆变：低压直流电经过高频逆变电路转换成低压高频交流电（频率约为100 - 200 kHz），以便于发射端线圈产生强大的感应磁场；

整流滤波：由于电磁感应的原理，接收端在强大的感应磁场中产生低压高频感应电流，该电流经过AC-DC电路后变成直流电，此时就可以直接供给负载使用（功率为5 W电压一般为5 V，10 W电压9 V，15 W电压12 V，小米9最新20W电压为15 V，无线充电电流一般不超过1.5 A）。

1.2 无线充电系统调控过程

图2 无线充电系统调控过程

检测阶段：发射端检测到放置物体的位置后，发射一个小的测量信号来监控物体的放置和移动，判断是否进入下一阶段，这个信号不会唤醒接收端；

判断阶段：发射端将发射功率信号，并检测可能来自接收端的响应，从而判断响应是接收端还是未知的对象。如果发射端接收到正确的信号，将继续进入识别和配置阶段，保持功率信号输出；

识别和配置阶段：接收端会将所需要的能量信号传递回发射端。发射端需要将收到的信号解

码，根据接收端所需要的能量调节输出功率，当无法解码时默认传输功率为5 W；

功率发射阶段：“识别与配置”阶段完成后，发射端启动功率传输模式。接收端控制电路向发射端发送误差包，将整流电压调整到线性稳压器效率最大化所需的水平，并将实际接收到的功率包发送给发射端进行外目标检测（FOD，Foreign Object Detection，异物检测），可保证安全、高效的功率传输；

结束阶段：充电结束后接收端发出EPT（End Power Transfer，结束功率传输）信号，当接收端受到EPT信号时终止功率传输。

1.3 无线充电Qi标准为什么选用100~205 kHz？

Qi标准基于电磁感应的充电技术，频率是100 - 205 kHz，无线充电传输的是能量而不是信号，因为100-205 kHz是对人体无害的低频非电离频率，采用这个频率将大大减小对人体的伤害。另一方面，此频率和绝大多数无线设备不在一个频道上，不会影响其它无线设备。

1.4 无线充电线圈测试要求100 kHz/1V中，1 V是什么意思？

测试频率100 kHz，1 V为激励电压。供电电压：为测试设备提供能量，使之处于一种稳定的工作状态，常见的供电电压为220 V；激励电压：作为信号输入用的，它使电路具有一定的响应（输出），从而得到响应（输出）与激励（输入）之间具有特定的函数关系。无线充电线圈常见的LCR测试仪是Agilent E4980A，采用自动平衡电桥法的原理，在220 V的供电电压下正常工作，由信号源产生一个频率为100 kHz，电压为1V的信号，通过无线充电系统后得到输出信号，对比分析计算电感、Q值和交流电阻。

2.无线充电线圈

无线充电常见发射端线圈有丝包线线圈和多股绞线线圈，接收端常见线圈有FPC（Flexible Printed Circuit柔性电路板）线圈和多股绕线线圈，

2.1 丝包线线圈和多股绞线线圈

图3 丝包线线圈图4 多股绞线线圈

这两种线圈一般用在无线充电发射端，整个产品对厚度的要求没有那么高（公差可以给到±0.5 mm ），制作成本低、工艺简单，一般都是常规品（例如A11线圈）。

丝包线：在漆包绞线的表面再包覆一层或两层天然纤维或化学纤维之后而形成的线，包括涤纶丝包线、尼龙丝包线、自粘丝包线（丙酮粘合、热风粘合），其中丙酮自粘丝包线是最常用的；

多股绞线：用多股铜线按照一定规则和方向做圆周螺旋缠绕在一起，形成一股多芯的电源线，多股绞线通过热风粘合绕成线圈。多股绞线最大外径经验计算公式：

D=1.155*d*√n

其中：1.155——系数；d ——单根铜线最大外径；n ——绞线的股数

为什么用多股线而不用同等线径的铜线来绕制线圈呢？第一，方便加工。多股线比较柔软，弯曲性比较好，而同等线径的铜线较硬，很难加工；第二，降低趋肤效应。无线充电工作频率100 - 200 kHz ，高频电流在导体中通过，随着与导体表面的距离逐渐增加，导体内的电流密度呈指数递减，即导体内的电流会集中在导体的表面，这就是趋肤效应。单股线径粗的铜线趋肤效应严重，造成发热和效率降低；多股线中单根漆包线相互绝缘而且线径较小，可有效降低趋肤效应影响。

2.2 FPC 线圈

(1) 常见FPC 结构

图5 单面板、双面板和镂空板

单面板：不能用作FPC 线圈（单面有铜，布线时不能交叉，线圈内引线无法导出），适用于单面有焊盘的FPC 端子；

双面板：适用于各种FPC 线圈和FPC 端子；

镂空板：适用于双面有焊盘的FPC 端子，和单面板一样不能用作FPC 线圈。

单面板和镂空板结构不同用途也不同。单层板由铜箔基材（铜箔+PI ）+PI 保护膜两部分组成，

铜

胶 PI

PI 胶 保护膜

铜箔基材

铜箔 胶 PI

PI 胶 保护膜 铜箔 保护膜 PI 胶

胶 PI

PI 胶 铜

铜胶 保护膜

铜箔

基材 保护膜

焊盘只出现在有PI保护膜的一面，另一面无法开窗形成焊盘；镂空板由PI保护膜+铜箔+PI保护膜三部分组成，但是焊盘可以出现在两面（通过PI膜开窗控制），适用范围更广。

(2)工艺流程（双面板）

开料：将整卷双面板原材料（铜箔基材）裁切成设计拼板大小尺寸；

钻孔：在基材表面钻出所需通孔，为连接两面线路导电作铺垫（双层板上下两层铜之间有PI，在钻孔和镀铜之前是不导电的），或者为后工序作识别和定位使用；

镀铜：在基材通孔壁上吸附一层离子钯，通过催化氧化还原反应，在离子钯的基体上沉积一层金属铜层（镀铜时上下两层铜箔通孔处沉积的金属铜层会使两层铜箔导通）；

清洗：去除铜面氧化物并增加铜面的粗糙度，加强后序（贴干膜/丝印油墨）产品的附着力；

贴干膜：干膜（Dry film）是一种高分子化合物，经紫外线照射后能够产生一种聚合反应，形成一种稳定的物质附着在板面，从而达到阻挡蚀刻的功能。在已镀好铜的板材表面贴上一层干膜，作为图形转移的胶片；

对位曝光：将菲林（银盐感光胶片）对准已贴好干膜板材上，用UV光（紫外光线）照射。菲林上已成像的地方会阻止UV光透过，无法曝光，干膜不能发生聚合反应，无法保护此处板材后面的蚀刻；菲林上未成像的地方UV透过照射在干膜上，发生聚合反应附着在板面，阻挡后续的蚀刻，形成留铜区（即线路）；

图6 对位曝光示意图

显影：将线路图形未曝光区域的干膜通过Na2CO3或者K2CO3冲洗，将未发生聚合反应的干膜溶解，露出铜材，留下已曝光区域的干膜图形；

蚀刻：显影后露出铜面的区域通过蚀刻液（氯化铜）腐蚀掉，留下干膜覆盖的图形部分；

Cu+CuCl2=2CuCl

CuCl+HCl+H2O2→CuCl2 +H2O