[發明專利]用于無線能量傳輸的雙層蝸狀PCB線圈及其設計方法

有效

• 申請號: 201210362153.1
• 申請日: 2012-09-25
• 公開（公告）號: CN102883525A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 陳凱楠;趙爭鳴;賀凡波;張藝明
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H05K1/16
• 分類號: H05K1/16;H01F5/00;H02J17/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

技術領域

本發明屬于無線能量傳輸的技術領域，尤其涉及一種用于無線能量傳輸的雙層蝸狀PCB線圈及其設計方法。

背景技術

磁耦合諧振式無線能量傳輸技術在近年來發展迅速。與傳統的感應式無線能量傳輸相比，該技術可以在保持50%以上傳輸效率的前提下，將傳輸距離擴展至2～3倍于線圈直徑，且具有更好的電磁兼容性。在該傳輸系統中，發射線圈和接收線圈為具有相同諧振頻率的自諧振線圈，其設計上有以下要求：

1.具有較高的機械穩定性和設計、制造精度，以保證其自諧振頻率的精確性；

2.具有一定量的雜散電容，以使其自諧振頻率不至過高；

3.盡可能的提高其品質因數（Q值），該參數將極大的影響傳輸距離和傳輸效率；

4.在設計階段能夠較為準確的對其特性（包括自諧振頻率、品質因數等）進行仿真計算。

在近年的研究中，出現了多種諧振線圈的結構，例如：使用銅線或銅帶繞制的空心螺旋狀或蝸狀線圈；忽略其自身雜散電容，而通過串聯集中式電容來實現諧振的密繞式線圈；通過串聯同軸電纜以增大其雜散電容的線圈；利用印刷電路板（PCB）來制造的平板型蝸狀線圈等等。其中基于PCB的平板型線圈由于其具有高精度、高穩定性、易于制造、易于與輔助電路集成等優點，尤其適用于諸如個人移動終端、機器人充電、植入式醫學設備等各種中小功率場合。

當前，雖然國內外均有出現過采用PCB諧振線圈的無線能量傳輸系統，但大都為簡單的單層線圈，其電感量和雜散電容均較小，使得自諧振頻率過高；且很少對其自諧振頻率、品質因數等參數進行系統的設計和優化。對于考慮雜散參數的PCB線圈特性分析和設計，當前已有的方法大都針對的是諸如電流互感器、RFID等其他領域，這些設計方法與思路并不能很好的用于磁耦合諧振式無線能量傳輸當中。

發明內容

針對背景技術中所述的目前在磁耦合諧振式無線能量傳輸中采用的PCB諧振線圈及其參數設計與優化方面存在的問題，本發明提出了一種用于無線能量傳輸的雙層蝸狀PCB線圈及其設計方法。

一種用于無線能量傳輸的雙層蝸狀PCB線圈，其特征在于，所述線圈包括基板、頂層線圈、底層線圈和過孔陣列；

其中，所述頂層線圈安裝在基板的上面；

所述底層線圈安裝在基板的下面；

所述過孔陣列位于基板上，用于連接頂層線圈和底層線圈。

所述頂層線圈和底層線圈采用方形、圓形或多邊形結構。

所述頂層線圈以蝸狀自外向內盤旋，在最內圈盡頭處通過過孔陣列與底層線圈相連，之后底層線圈以蝸狀自內向外盤旋。

所述頂層線圈/底層線圈的線圈間距滿足爬電安全距離；用于防止頂層線圈/底層線圈諧振時匝與匝之間所產生的高壓造成爬電。

所述線圈采用方形或多邊形結構，則頂層線圈和底層線圈采用圓角形式，用于防止頂層線圈和底層線圈拐角處的電荷聚集和尖端放電。

所述基板的材料采用介電損耗角正切值較小的高頻板材，用于減小高頻下基板所造成的介電損耗。

一種用于無線能量傳輸的雙層蝸狀PCB線圈的設計方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

步驟1：根據實際應用場合，確定出線圈的大小、形狀以及結構和電氣參數要求；

步驟2：利用Ansoft?Q3D?Extractor和Matlab/Simulink軟件對線圈的結構參數進行設計和優化，從而使自諧振頻率和品質因數達到設定要求；

步驟3：根據最終確定的線圈結構參數進行印刷電路板PCB的布線和制造。

步驟1中，根據裝置的空間大小確定線圈尺寸；根據配套高頻電源、電磁兼容環境和傳輸效率，確定線圈的自諧振頻率，即將來傳輸系統的基準工作頻率；根據所采用的傳輸構架以及設定的傳輸距離和傳輸效率，經由磁耦合諧振式無線能量傳輸理論確定線圈的電感量，再結合所確定的線圈尺寸決定其匝數，同時得出線圈的品質因數要求；根據裝置性能、制造成本等因素，確定PCB基板材料、基板厚度和覆銅厚度。

步驟2中，利用Ansoft?Q3D?Extractor、Matlab/Simulink等軟件對線圈的結構參數進行設計和優化的具體過程包括以下步驟：

步驟201：將頂層線圈和底層線圈劃分為n個單元；

步驟202：根據雜散參數得出線圈的部分元等效電路模型；所述雜散參數包括各單元的自感和互感矩陣、各單元間的雜散電容矩陣和各單元的高頻等效電阻矩陣；