Strategie per l'ottimizzazione del layout Pcb per sistemi di ricarica wireless e trasferimento di energia induttiva

Integrazione della bobina e ottimizzazione della trace sul PCB

Geometria della bobina e spessore del rame

Le bobine Tx e Rx sono spesso implementate come tracce a spirale sul PCB per ridurre i costi di montaggio e l'altezza.

• La larghezza e la spaziatura dei tragitti:[ Le tracce del Wider riducono la resistenza DC e migliorano la gestione corrente, ma aumentano le perdite di corrente eddy nei piani conduttivi vicini. Una linea guida tipica è quella di utilizzare lo spessore del rame di almeno 2 oz (70 μm) per le bobine Tx ad alta corrente; il rame di 4 oz è consigliato per applicazioni oltre 15 W.
• Numero di giri e diametro interno:[] L'induttanza di una bobina PCB è proporzionale al quadrato del numero di giri e al raggio medio della spirale. Durante il layout, assicurarsi che il diametro interno sia abbastanza grande da ospitare lo schermo o il foglio di ferrite che verrà posizionato dietro la bobina.
• Posizionamento del carbone rispetto al bordo del PCB:[ Tenere la bobina a almeno 10 mm di distanza dai bordi della tavola e da qualsiasi grande rame versa che non fanno parte della struttura della bobina.

Per i ricevitori, la bobina è tipicamente posizionata sul livello inferiore del PCB (più vicino al trasmettitore) con uno scudo ferrite sul lato opposto. Lo scudo protegge il metallo del sistema (batteria, telaio) dal riscaldamento eddy corrente e concentra il campo magnetico. Assicurarsi che lo scudo sia elettricamente conduttivo solo nella direzione verticale - utilizzare fogli ferrite multistrato o modello il rame versato per evitare di accorciare il flusso magnetico.

Sentieri di ritorno ad alto contenuto e area di Loop

La fase di potenza del trasmettitore consiste in un inverter a ponte o a mezzo ponte che guida il serbatoio di risonanza. Il loop di commutazione formato dai MOSFET, condensatore di collegamento DC, e l'ingresso del serbatoio deve avere la più bassa induttanza possibile di reggimento. Un loop di corrente di 10 mm2 può aggiungere 5-10 nH di induttanza parassita, che a 200 kHz altera in modo significativo la tensione di 6-13 mΩ

Utilizzare le seguenti pratiche di layout per l'inverter di potenza:

• Posizionare i condensatori ceramici DC-link il più possibile vicino possibile ai pin di scarico/fonte MOSFET ad alto e basso lato. Per le migliori prestazioni, utilizzare uno stack di condensatori a basso volume “cake” di più 1206 o 0805 direttamente sotto i FET.
• Percorri le connessioni con la bobina del serbatoio utilizzando tracce accoppiate (o guida ondulatoria coplanare) per ridurre al minimo l'area del loop. Evitare di eseguire le tracce della bobina su strati separati senza una traccia di guardia o piano terra sotto - questo aumenta l'induttanza del ciclo e coppie il rumore alla scheda.
• Utilizzare più vie per transizioni ad alta corrente tra strati. Un'unica via di diametro di 0,3 mm aggiunge ~1 nH; le vie di parallelizzazione riduce sia l'induttanza che la resistenza.

Strategie di messa a terra e tecniche di schermatura

Piano terreno solido sotto l'area della bobina: Sì o no?

Un dilemma comune è se posizionare un piano terra solido direttamente sotto la bobina Tx o Rx. Alle frequenze più basse ([< 1 MHz), a ground plane under the coil acts as a shorted turn: it heavily dampens the magnetic field, reduces k]], e induce correnti esiliate che causano perdite e riscaldamento. Quindi, rimuovere sempre le versanti di rame e piani di terra dalla zona direttamente sottostante la bobina.

Per il resto della scheda, un piano terra solido è vantaggioso per il controllo dell’EMI e per il controllo dei segnali di ritorno a bassa impedenza. Per collegare il piano terra al telaio o all’armadio, utilizzare più terreni attraverso il perimetro della scheda, ma evitare di creare loop che intersecano il campo magnetico della bobina.

Scudo del Ricevitore dalla Batteria e dai Componenti Metallici

In un ricevitore di ricarica wireless, la bobina viene spesso montata sullo stesso PCB che trasporta il connettore della batteria e altri circuiti ad alta corrente. Senza una corretta schermatura, le correnti esfolianti indotte nelle guide della batteria o nella schermatura della batteria possono riscaldare quei componenti e ridurre l'efficienza. La soluzione standard è un foglio di ferrite (ad esempio, un tiglio di ferrite o un polimero di ferrite flessibile) posizionato tra la bobina e le strutture metalliche.

Per il trasmettitore, uno schermo simile ferrite sul fondo del PCB (lato opposto dalla bobina) minimizza l'accoppiamento al metallo nella custodia del dispositivo (ad esempio, una superficie della scrivania metallica). Lo scudo dovrebbe essere conduttivo solo per le correnti AC below] la frequenza di funzionamento, motivo per cui la ferrite è utilizzata piuttosto che un piano di rame solido.

Posizionamento dei componenti per il Tuning del serbatoio di risonanza

I condensatori di risonanza (C_p] e C_][] in compensazione serie-serie) devono essere posizionati con estrema cura per mantenere la frequenza di risonanza desiderata. Anche alcuni pF di capacità parassita aggiunta al serbatoio possono spostare il punto di funzionamento di diversi kilohertz a 6.78 MHz.

• I condensatori di pilace immediatamente adiacenti ai cuscinetti a bobina. La lunghezza di traccia tra il terminale del condensatore e il terminale della bobina dovrebbe essere inferiore a 5 mm. Ciò garantisce che l'induttanza di randagi in quel loop sia trascurabile.
• Usare più condensatori paralleli[[] per ridurre ESR ed ESL. Ad esempio, due condensatori 10 nF C0G in parallelo hanno la metà dell'ESL di un singolo condensatore 22 nF, e distribuiscono la corrente uniformemente.
• Avoid che esegue tracce digitali ad alta velocità o linee di clock vicino ai componenti del serbatoio di risonanza. Il campo magnetico dalla bobina può accoppiare il rumore in questi segnali, e viceversa, il rumore digitale può propagarsi nel percorso di alimentazione tramite accoppiamento capacitivo parassita. Mantenere una distanza di almeno 2 mm dai componenti del serbatoio a qualsiasi circuito sensibile.
• Per il lato ricevitore, considerare l'integrazione del condensatore di risonanza all'interno dello stack di schermatura ferrite[] per ridurre al minimo il loop formato dal condensatore e dalla bobina.

Gestione termica nella fase di potenza

Il riscaldamento in sistemi di alimentazione wireless proviene principalmente da perdite di rame a bobina, perdite di nucleo negli scudi di ferrite e perdite di conduzione nei MOSFETs inverter.

1. Efficienza del rame:[] Usare tracce più ampie del rating minimo di corrente indicherebbe—una traccia di rame da 3 oz larga 5 mm può gestire 5 A con un aumento inferiore a 20°C. Per la bobina Tx, considerare l'utilizzo di una spirale riempita con spessore di rame costruito attraverso maschere di saldatura multiple (ad esempio, tecnologia delle monete) per ridurre la resistenza DC.
2. Matura in via per la diffusione del calore:[ Sotto l'inverter MOSFETs e le bobine, cucire più vie termiche (0,3 mm di diametro, 0.5 mm di pitch) a un piano terra o un rame dedicato dissipatore di calore versare sul lato opposto. Le vie devono essere completamente riempite o tendate per evitare il cablaggio saldante durante l'assemblaggio.
3. ]Il raffreddamento dello scudo di fluorite:[] I materiali di ferrite hanno bassa conducibilità termica. Nei sistemi ad alta potenza (> 15 W), forniscono un'isola di rame sullo strato di fronte al ferrite che è collegato attraverso le vie termiche allo strato esterno PCB. Questa isola può essere accoppiata a un dissipatore o al telaio.

EMI Mitigazione: Filtro e Tecniche di Layout

I trasmettitori di ricarica wireless sono intrinsecamente sorgenti di rumore EM, i bordi di commutazione rapidi delle armoniche di eccitazione inverter che possono raggiungere il picco nella banda FM e sopra. Il layout PCB può ridurre le emissioni condotte e irradiate attraverso diversi metodi collaudati:

• Filtro LC integrato all'ingresso di potenza. ⁇ ⁇ strung> Posizionare una serie di perline ferrite seguita da un condensatore ceramico da 100–470 nF direttamente sul connettore di ingresso. La perla ferrite deve gestire la corrente continua senza saturare—selezionare uno con < 5 mΩ DCR.
• RC snubbers attraverso l'uscita dell'inverter. Anche un piccolo snubber (ad esempio, 1 nF + 2.2 Ω) attraverso l'ingresso del serbatoio può smorzare l'anello ad alta frequenza senza influenzare la risonanza fondamentale.
• Spread-spectrum clocking,[]] sebbene non strettamente una tecnica di layout, può essere abilitata dal layout che mantiene l'oscillatore di spettro di diffusione lontano dal campo magnetico della bobina.
• Spaccare il piano terra tra la sezione di controllo digitale e la sezione di alimentazione.[] Usare una connessione a terra stellata a punto singolo al condensatore di massa di ingresso DC. Questo impedisce di commutare il rumore dalla contaminazione del canale di comunicazione (ad esempio, modulazione Qi) che scorre sulla stessa bobina.