Fondations du transfert d'énergie sans fil et rôle de la mise en oeuvre des PCB

Les systèmes de recharge sans fil, en particulier ceux basés sur le transfert de puissance inductif (IPT), sont devenus omniprésents dans l'électronique grand public, les dispositifs médicaux et les applications industrielles. La promesse d'éliminer les connecteurs physiques et de permettre des boîtiers scellés impose de lourdes exigences sur l'efficacité du transfert de puissance, la conformité électromagnétique et la performance thermique du système.

Cet article présente un ensemble complet de stratégies pour l'optimisation de la disposition des PCB dans les systèmes de recharge sans fil. Les conseils s'appliquent aussi bien aux cartes d'émetteur (Tx) qu'aux cartes de récepteur (Rx), qui couvrent l'intégration initiale des bobines, le routage à haute intensité, la mise à la terre et le blindage, le placement des composants résonants et les techniques de validation.

Comprendre le lien inductif et sa sensibilité à la mise en page

Le transfert de puissance sans fil dans le champ proche repose sur un couplage inductif mutuel entre une bobine primaire (Tx) et une bobine secondaire (Rx). Un courant alternatif dans la bobine Tx génère un flux magnétique, dont une partie relie la bobine Rx et induit une tension. L'efficacité du transfert de puissance (PTE) est une fonction du coefficient de couplage k (déterminé par la géométrie, l'alignement et la distance de la bobine) et des facteurs de qualité (Q) des deux circuits résonants.

La plupart des systèmes modernes utilisent une compensation par résonance série ou série-parallèle pour obtenir une efficacité plus élevée et une tolérance d'alignement plus lâche. Les composants passifs (condensateurs, inducteurs) et leurs interconnexions PCB doivent être placés pour minimiser l'inductance et la résistance erratiques dans la boucle résonante. Pour le transfert de puissance sans fil dans la gamme 100–205 kHz (p. ex., la norme Qi), les pertes d'effet cutané et d'effet de proximité deviennent importantes dans les traces épaisses de cuivre; à des fréquences plus élevées telles que 6,78 MHz (la norme AirFuel), les pertes diélectriques et la capacité de ventilage parasite dominent.

Intégration des bobines et optimisation des traces sur le PCB

Géométrie des bobines et épaisseur du cuivre

Les bobines Tx et Rx sont souvent mises en œuvre comme traces spirales sur le PCB pour réduire le coût et la hauteur de montage.

  • La largeur de la piste et l'espacement:[ Des traces plus larges réduisent la résistance au courant continu et améliorent la manipulation du courant, mais augmentent les pertes de courant dans les plans conductrices à proximité. Une recommandation typique est d'utiliser l'épaisseur du cuivre d'au moins 2 oz (70 μm) pour les bobines Tx à courant élevé; le cuivre de 4 oz est recommandé pour les applications au-delà de 15 W. L'espacement entre les tours devrait être au moins deux fois l'épaisseur du cuivre pour minimiser la capacité de virage.
  • Nombre de tours et diamètre intérieur: L'inductance d'une bobine de PCB est proportionnelle au carré du nombre de tours et au rayon moyen de la spirale. Pendant la mise en page, assurez-vous que le diamètre intérieur est suffisamment grand pour accueillir le bouclier ou la feuille de ferrite qui sera placé derrière la bobine. Une bobine de jointure serrée avec de nombreux tours peut avoir une autocapacité excessive, réduisant la fréquence auto-résonne (SRF).
  • Position de la feuille par rapport au bord du PCB:[ Conserver la bobine à au moins 10 mm des bords du plateau et de tout gros cuivre versé qui ne font pas partie de la structure du bobine.

Pour les récepteurs, la bobine est généralement placée sur la couche inférieure du PCB (la plus proche de l'émetteur) avec un bouclier ferrite sur le côté opposé. Le bouclier protège le métal système (batterie, châssis) du chauffage du courant de Foucault et concentre le champ magnétique. Assurez-vous que le bouclier est électriquement conducteur seulement dans la direction verticale – utilisez des feuilles ferrites multicouches ou dessinez le cuivre vers pour éviter de raccourcir le flux magnétique.

Sentiers de retour et zone de boucles à haute vitesse

L'étape de puissance de l'émetteur est constituée d'un onduleur à pont ou à demi-pont qui alimente le réservoir de résonance. La boucle de commutation formée par les MOSFET, le condensateur de liaison DC et l'entrée du réservoir doivent avoir la plus faible inductance errante possible. Une boucle de courant de 10 mm2 peut ajouter 5 à 10 nH d'inductance parasitaire, qui à 200 kHz entraîne une impédance réactive de 6 à 13 m-négligeable, mais à 6,78 MHz elle atteint 213 à 425 m-.

Utilisez les pratiques de mise en page suivantes pour l'onduleur de puissance:

  • Placez les condensateurs céramiques DC-link le plus près possible des goupilles de drainage/source MOSFET à parois hautes et basses. Pour une meilleure performance, utilisez une pile de cakes à faibles volumes de condensateurs multiples 1206 ou 0805 directement sous les FET.
  • Éviter de faire tourner les traces de bobines sur des couches séparées sans trace de garde ou plan de terre en dessous – cela augmente l'inductance de boucle et couple le bruit au plateau.
  • Utilisez plusieurs vias pour les transitions à courant élevé entre les couches. Un seul via de 0,3 mm de diamètre ajoute ~1 nH; le parallélisme vias réduit à la fois l'inductance et la résistance.

Stratégies de mise à la terre et techniques de blindage

Avion solide sous la zone de bobine : Oui ou Non?

Aux fréquences inférieures (< 1 MHz), a ground plane under the coil acts as a shorted turn: it heavily dampens the magnetic field, reduces k, et induit des courants de Foucault qui causent des pertes et du chauffage. Par conséquent, toujours retirer le cuivre verse et les plans de terre de la zone directement sous-jacente à la bobine. La zone de retenue doit s'étendre au moins jusqu'au diamètre extérieur de la bobine plus 3–5 mm.

Pour le reste de la planche, un plan sol solide est bénéfique pour contrôler l'IME et fournir un chemin de retour faible en impossibilité pour les signaux de contrôle et de communication. Pour connecter le plan sol au châssis ou à l'enceinte de bouclier, utilisez plusieurs vias sol autour du périmètre de la planche, mais évitez de créer des boucles qui croisent le champ magnétique de la bobine.

Blindé le récepteur de la batterie et des composants métalliques

Dans un récepteur de recharge sans fil, la bobine est souvent montée sur le même PCB qui transporte le connecteur de batterie et d'autres circuits à courant élevé. Sans blindage approprié, les courants de Foucault induits dans les conduits de batterie ou dans la boîte de protection du bloc de batterie réchaufferont ces composants et réduira l'efficacité. La solution standard est une feuille ferrite (par exemple, une tuile ferrite frittée ou un polymère ferrite flexible) placée entre la bobine et les structures métalliques. Dans la disposition PCB, fournir un tampon de soudure pour le bouclier afin qu'il puisse être raccordé électriquement au sol du récepteur via un chemin de faible impossibilité.

Pour l'émetteur, un bouclier de ferrite similaire situé au bas du PCB (face opposée de la bobine) réduit au minimum le couplage avec le métal dans l'enceinte du dispositif (p. ex., une surface de bureau en métal). Le bouclier ne doit être conducteur que pour les courants CA ci-dessous la fréquence de fonctionnement, c'est pourquoi la ferrite est utilisée plutôt qu'un plan en cuivre solide.

Placement de la composante pour le réglage des réservoirs de résonance

Les condensateurs résonants (Cp[ et C[s dans la compensation de série) doivent être placés avec une extrême prudence pour maintenir la fréquence de résonance souhaitée. Même quelques pF de capacité parasitaire ajoutée au réservoir peuvent déplacer le point d'exploitation par plusieurs kilohertz à 6,78 MHz.

  • Placer les condensateurs immédiatement à côté des coussinets de bobines. La longueur de trace entre le terminal du condensateur et le terminal de bobines devrait être inférieure à 5 mm, ce qui garantit que l'inductance errante dans cette boucle est négligeable.
  • Utilisez plusieurs condensateurs parallèles pour réduire l'ESR et l'ESL. Par exemple, deux condensateurs C0G 10 nF en parallèle ont la moitié de l'ESL d'un condensateur 22 nF unique, et ils distribuent le courant uniformément.
  • Éviter de faire tourner des traces numériques ou des lignes d'horloge à haute vitesse à proximité des composants du réservoir résonant. Le champ magnétique de la bobine peut coupler le bruit dans ces signaux, et inversement, le bruit numérique peut se propager dans le chemin de puissance par l'accouplement capacitif parasitaire.
  • Pour le côté récepteur, envisager d'intégrer le condensateur résonant à l'intérieur de la pile de boucliers ferrite afin de minimiser la boucle formée par le condensateur et la bobine. Cette boucle peut émettre du bruit si elle n'est pas maintenue petite.

Gestion thermique dans la phase de puissance

Le chauffage dans les systèmes d'alimentation sans fil provient principalement de pertes de cuivre en bobines, de pertes de cœur dans les boucliers ferrites et de pertes de conduction dans les MOSFETs de l'onduleur.

  1. Efficacité du cuivre :[ Utiliser des traces plus larges que la cote de courant minimale indiquerait : une trace de cuivre de 3 oz de 5 mm de large peut manipuler 5 A avec une montée de moins de 20 °C. Pour la bobine Tx, envisager d'utiliser une spirale remplie avec une épaisseur de cuivre construite par plusieurs masques à souder (p. ex., la technologie de la pièce) pour réduire la résistance au courant continu.
  2. Coutures de la voie pour l'étalement de la chaleur:[ Sous les MOSFETs de l'onduleur et les coussinets en bobines, faire des piqûres thermiques multiples (0,3 mm de diamètre, 0,5 mm de hauteur) sur un plan de terre ou verser un cuivre de la courbe de chaleur sur le côté opposé.
  3. Ferrite heldfer : Les matériaux ferrites ont une faible conductivité thermique. Dans les systèmes à haute puissance (> 15 W), fournir une île de cuivre sur la couche opposée à la ferrite qui est reliée par des vias thermiques à la couche extérieure de PCB. Cette île peut être couplée à un dissipateur ou au châssis.

Atténuation de l'IME : techniques de filtrage et de mise en page

Les émetteurs de charge sans fil sont des sources de bruit EM intrinsèquement – les bords de commutation rapides de l'onduleur harmonique d'excitation qui peut atteindre un pic dans la bande FM et au-delà.

  • Filtre LC intégré à l'entrée de puissance. Placez une perle ferrite série suivie d'un condensateur céramique 100-470 nF directement au connecteur d'entrée. La perle ferrite doit gérer le courant continu complet sans saturer, sélectionnez-en une avec < 5 m-DCR.
  • Les snubbers de la RCC à travers la sortie de l'onduleur Même un petit snubber (p. ex. 1 nF + 2,2 ↓) à travers l'entrée du réservoir peut amortir les sonneries à haute fréquence sans affecter la résonance fondamentale.
  • L'horlogerie de spectre de spread,, bien que non strictement une technique de mise en page, peut être activée par un layout qui empêche l'oscillateur de spectre de spread de se déplacer du champ magnétique de bobine.
  • Spliter le plan de masse entre la section de commande numérique et la section de puissance. Utiliser une connexion étoile-sol à un seul point au condensateur en bloc d'entrée DC. Cela empêche le bruit de commutation de contaminer le canal de communication (p. ex. modulation Qi) qui roule sur la même bobine.

Essai et validation : de la simulation à la production

Aucune disposition des PCB n'est définitive sans vérification. Les essais suivants doivent être effectués au stade du prototype et les résultats doivent être réintroduits dans la disposition pour révision si nécessaire.

Mesure des analyseurs de réseau

Utiliser un analyseur de réseau vectoriel (VNA) pour mesurer les paramètres S à deux ports des bobines couplées. Le pic de transmission S21 donne le coefficient de couplage et la fréquence de résonance. Si la résonance mesurée est plus de 5 % de la cible de conception, ajuster les valeurs du condensateur ou réexaminer les inductances parasitaires dans la boucle du réservoir. Un VNA peut également identifier les résonances non désirées causées par le couplage parasitaire entre la bobine et d'autres traces de planche.

Essai d'efficacité du transfert de puissance (PTE)

Mesurer la puissance en courant continu de l'entrée vers l'émetteur et la puissance en courant continu de sortie du récepteur. La cartographie de l'efficacité à divers alignements révèle la sensibilité de la disposition à un désalignement. Une baisse de plus de 10 % de l'efficacité à 2 mm de décalage indique souvent une mauvaise conception magnétique ou des pertes excessives de courant de Fouctage dans le cuivre proche – vérifier les zones de rétention sur la disposition.

Imagerie thermique

Pendant le fonctionnement en plein régime, utilisez une caméra thermique pour identifier les points chauds. Les zones chaudes situées en dehors de la bobine (p. ex., sur le bord du plan au sol) ont induit des courants de Foucault.

Analyse de conformité EMI

Une sonde à champ proche couplée à un analyseur de spectre peut localiser des points chauds d'émission. Si la carte échoue, CISPR 22 ou FAC partie 15, envisager d'ajouter un bouclier ferrite ou un boîtier de bouclier en cuivre (connecté au sol) sur l'électronique de l'émetteur.

Ressources supplémentaires et pratiques exemplaires

Pour les ingénieurs plongeant plus profondément dans la mise en page des PCB sans fil, les références suivantes fournissent des conseils autorisés :

  1. Texas Instruments - ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  2. Würth Elektronik .La trilogie des magnétiques – Guide de conception pour EMI et EMC – couvre la sélection de ferrites et le blindage pour les liens inductifs.
  3. Qi 1.2.4 et 2.0 Communication Protocol Specification – contient des lignes directrices pour la conception des antennes (coil) et des exigences minimales de mise en page pour l'interopérabilité.

En outre, envisager d'utiliser des outils de simulation de PCB tels que ANSYS Q3D ou FastHenry pour extraire les inductances et les capacités parasitaires de la disposition avant le prototypage. Une simulation de 15 minutes peut économiser deux semaines de cycles de respin.

Résumé des règles applicables

  • Conserver le cuivre loin de la zone de bobine — plans au sol et traces de signal. Utiliser une zone de retenue d'au moins diamètre extérieur de bobine + 3 mm.
  • Supprimer la zone de la boucle de puissance — coupler les composants à face haute et à face basse, placer les bouchons de liaison DC directement sur l'onduleur.
  • Utiliser du cuivre épais (2 oz minimum) pour les traces de bobines et de puissance — 4 oz si l'espace le permet et la puissance dépasse 15 W.
  • Placer des condensateurs résonants à moins de 5 mm de coussinets de bobines — condensateurs multiples parallèles pour réduire l'ESL.
  • Intégrer les boucliers ferrites sur Tx et Rx — les relier au sol avec > 10 thermaux/vias.
  • Subscrivez la sortie de l'onduleur — RC snubber à travers l'entrée du réservoir pour l'anneauage humide.
  • Testez tôt et itérer — L'ARN et l'imagerie thermique sont des outils indispensables pour l'accord final de la disposition.

En appliquant ces stratégies de façon systématique, les ingénieurs peuvent réaliser des conceptions de puissance sans fil qui offrent une grande efficacité, une immunité robuste aux variations d'alignement et le respect des normes internationales EMI. La disposition des PCB n'est pas seulement une réflexion sur la conception magnétique – c'est le milieu par lequel la liaison magnétique est formée, stabilisée et protégée de son propre environnement.