CN112054602A - 一种线圈模组和电能发射电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种线圈模组和电能发射电路，所述线圈模组包括至少两个并联支路，所述并联支路包括串联连接的线圈和第一电容，各所述第一电容的容值被设置为降低或消除各所述并联支路之间的等效阻抗差异，由此，可以在保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

Description

一种线圈模组和电能发射电路

技术领域

本发明涉及电子电力技术领域，具体地，涉及无线充电领域，更具体地，涉及一种线圈模组和电能发射电路。

背景技术

无线充电的移动终端越来越普及，移动终端大多标配了无线充电功能，用户对无线充电速度和充电自由度的要求也越来越高，由此，无线充电器中的电能发射线圈需要通过更大的电流，才能激发出更强的磁场。为了降低线圈的损耗，有些现有技术采用更粗的绕线，但更粗的非标准线材会增加成本。同时，由于高频电流的集肤效应和邻近效益，当绕线的线径增加到一定程度后，反而不能降低损耗。

发明内容

有鉴于此,本发明实施例提供一种线圈模组和电能发射电路，以在保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

第一方面，本发明实施例提供一种线圈模组，所述线圈模组包括至少两个并联支路，所述并联支路包括串联连接的线圈和第一电容，各所述第一电容的容值被设置为降低或消除各所述并联支路之间的等效阻抗差异。

可选的，各所述并联支路中的线圈沿垂直于对应磁片的方向上下并联绕制。

可选的，各所述并联支路中的线圈沿平行于对应磁片的方向在同一水平面上左右并联绕制。

可选的，各所述第一电容的容值相同。

可选的，各所述第一电容的容值被设置为使得各所述并联支路上的等效阻抗相等。

可选的，所述线圈模组还包括第二电容，各所述并联支路并联后与所述第二电容串联连接。

可选的，各所述线圈同心放置。

可选的，各所述线圈的匝数相同。

可选的，所述线圈模组还包括磁片。

第二方面，本发明实施例提供一种电能发射电路，用于以无线方式发射电能，所述电能发射电路包括如上所述的线圈模组。

本发明实施例的所述线圈模组包括至少两个并联支路，所述并联支路包括串联连接的线圈和第一电容，各所述第一电容的容值被设置为降低或消除各所述并联支路之间的等效阻抗差异，由此，可以在保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是一种相关技术的线圈模组的示意图；

图2是另一种相关技术的线圈模组的示意图；

图3是一种相关技术的电路模型示意图；

图4是一种相关技术的等效电路示意图；

图5是另一种相关技术的电路模型示意图；

图6是本发明实施例的一种线圈模组的示意图；

图7是本发明实施例的一种线圈模组的电路模型的示意图；

图8是本发明实施例的一种线圈模组的等效电路示意图；

图9是本发明实施例的另一种线圈模组的电路模型的示意图；

图10是本发明实施例的另一种线圈模组的示意图；

图11是本发明实施例的另一种线圈模组的电路模型的示意图；

图12是本发明实施例的电能发射电路的示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在相关技术中，是采用2根或多根标准线材并联的方式来等效地增加绕线线径。例如，采用两根绕线在与底部磁片平行的水平方向并联绕制，或者采用两根绕线在与底部磁片垂直方向并联绕制，以提高线圈的通流能力，降低损耗。

图1是一种相关技术的线圈模组的示意图。如图1所示，绕线L1和绕线L2沿垂直于对应磁片m的方向并联绕制，在通电电流为I时，流过绕线L1的电流为I1，流过L2的电流为I2。在这种线圈模组中，由于绕线L1相对于绕线L2更靠近磁片m，因此，绕线L1的电感量比绕线L2的电感量大，从而导致绕线L1和绕线L2的阻抗不一致。由于绕线L1和绕线L2的阻抗差异，在高频交流电I流过并联绕线时，绕线L1和绕线L2上的电流I1和I2不相等(也即I1≠I2≠I/2)，这显然不能有效降低损耗。

图2是另一种相关技术的线圈模组的示意图。如图2所示，绕线L1'和绕线L2'沿平行于磁片m'的方向并联绕制，在通电电流为I'时，流过绕线L1'的电流为I1'，流过L2'的电流为I2'。在这种线圈模组中，由于绕线L1'和绕线L2'的绕线位置并不完全对称，因此，绕线L1'的电感量与绕线L2'的电感量存在一定的差异，从而导致绕线L1'和绕线L2'的阻抗不一致。由于绕线L1'和绕线L2'的阻抗差异，在高频交流电I'流过并联绕线时，绕线L1'和绕线L2'上的电流I1'和I2'不相等，因此这种方式也不能有效降低损耗。

图3是一种相关技术的电路模型示意图。图4是一种相关技术的等效电路示意图。本实施例以图1所示的相关技术为例进行说明，其电路模型和等效电路如图3和图4所示，假设耦合系数为k，上层绕线L2和下层绕线L1之间的耦合电感M为：

则上层绕线L2对应的等效感抗为(L2-M)，下层绕线L1对应的等效感抗为(L1-M)。绕线L2和绕线L1的感抗差异可以表示为(L2-M)：(L1-M)，流过绕线L2的电流I2与流过绕线L1的电流I1上午比值为(L1-M)：(L2-M)。例如，假设绕线L2的感量28uH，绕线L1的感量为31uH，绕线L1和绕线L2之间的耦合系数k＝0.9，则绕线L1和绕线L2的耦合电感

绕线L1的等效感抗为L1-M＝31uH-26.5uH＝4.5uH，绕线L1的等效感抗为L1-M＝28uH-26.5uH＝1.5uH。由此，绕线L1和绕线L2之间的感抗差异为3:1，相应的，在通电后，流过绕线L1的电流I1是流过绕线L2的电流I2的1/3。由此可以看出，微小的感量差异可以导致很大的电流差异，损耗依旧较大。

图5是另一种相关技术的电路模型示意图。在一种相关技术中，为了补偿电能发射线圈的感抗，通常与电能发射线圈串联一个谐振电容。如图5所示，在电路模型5中，电能发射线圈L3和L4并联后与电容C谐振，从而提高电能传输效率。但是这种连接方式依旧不能解决线圈L3所在支路和线圈L4所在支路之间的感抗差异，两支路的电流分布不均，损耗依旧较大。

由此，本发明实施例提供一种包括至少两个并联支路的线圈模组，每个并联支路包括串联连接的线圈和第一电容，各第一电容的容值被设置为降低或消除各所述线圈之间的电感量差异，从而在通电后使得各线圈中的电流保持基本相等，以在保证充电速度和充电自由度的同时，有效降低损耗，提高无线充电效率。

在一种可选的实现方式中，线圈模组中各并联支路中的线圈沿垂直于对应磁片的方向上下并联绕制。可选的，线圈模组中各线圈同心放置。可选的，线圈模组中各线圈的匝数相同。

图6是本发明实施例的一种线圈模组的示意图。图7是本发明实施例的一种线圈模组的电路模型的示意图。图8是本发明实施例的一种线圈模组的等效电路示意图。本实施例以线圈模组包括两个并联支路、各线圈同心设置且匝数相等为例进行举例说明，应理解，线圈模组中并联支路的个数、线圈位置及匝数设置方式根据具体应用场景的需求设置，本实施例并不对此进行限制。如图6所示，线圈模组6包括并联支路61和并联支路62。其中，并联支路61包括串联连接的线圈L61和电容C61。并联支路62包括串联连接的线圈L62和电容C62。线圈61和线圈62沿垂直于对应磁片m6的方向上下并联绕制而成，线圈61和线圈62同心设置，匝数相等。线圈L61靠近磁片m6，线圈L62远离磁片m6。线圈L61与电容C61谐振，线圈L62与电容C62谐振，以产生用于无线充电的电磁场。在本实施例中，电容C61和电容C62的容值被设置为降低或消除支路61和支路62上的等效阻抗的差异，从而降低或消除流过支路61的电流I61和流过支路62的电流I62之间的差异，以保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

如图7和图8所示，在本实施例中，并联支路L61上的等效阻抗Z1为：

并联支路L62上的等效阻抗Z2为：

其中，M'为在耦合系数为k时，线圈L61和线圈L62之间的耦合电感。

假设靠近磁片m6的线圈L61的感量为31uH，远离磁片m6的线圈L62的感量为28uH，耦合系数k为0.9，则线圈L61和线圈L62之间的耦合电感M'为：

在一种可选的实现方式中，各并联支路中的电容的容值相等。若电容C61的容值和电容C62的容值均被设置为60nF，高频电流的频率为100kHz，也即ω＝2π*100k，则并联支路L61上的等效阻抗Z1为：

并联支路L62上的等效阻抗Z2为：

由此，在各并联支路的阻抗中，电容的容抗占据了主导地位，这使得并联支路L61上的等效阻抗Z1和并联支路L62上的等效阻抗Z2基本一致。其中，并联支路L61上的等效阻抗Z1和并联支路L62上的等效阻抗Z2的比值为25.1:23.2≈1.08:1。由此可见，流过并联支路61中的电流I61与流过并联支路62中的电流I62的比值为1:1.08，也即各并联支路上的电流可以基本均匀分配，降低了损耗，提高了无线充电效率。

在另一种可选的实现方式中，各并联支路中的电容的容值被设置为使得各并联支路上的等效阻抗相等，以使得各并联线圈中的电流均匀分配或基本均匀分配，也即各并联线圈中的电流相等或基本相等。以上述实施例为例，假设电容C61的容值为57nF，电容C62的容值为60nF，则并联支路L61上的等效阻抗Z1为：

并联支路L62上的等效阻抗Z2为：

由此，并联支路L61上的等效阻抗Z1和并联支路L62上的等效阻抗Z2的比值为1:1。由此可见，流过并联支路61中的电流I61与流过并联支路62中的电流I62的比值为1:1，也即各并联支路上的电流可以均匀分配，降低了损耗，提高了无线充电效率。

本实施例通过给各并联支路上的线圈配置对应容值的谐振电容，以降低或消除各并联支路之间的等效阻抗差异，从而降低或消除各并联支路之间的电流差异，由此，可以在保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

图9是本发明实施例的另一种线圈模组的电路模型的示意图。如图9所示，本实施例的线圈模组9包括并联支路91、并联支路92、以及与并联支路串联连接的第二电容C93。其中，并联支路91包括串联连接的线圈L91和电容C91。并联支路92包括串联连接的线圈L92和电容C92。线圈91和线圈92沿垂直于对应磁片的方向上下并联绕制而成，线圈91和线圈92同心设置，匝数相等。线圈L91靠近对应磁片，线圈L92远离对应磁片。其中，线圈L91、电容C91和电容C93谐振，线圈L92、电容C92和电容C93谐振，以产生用于无线充电的电磁场。在本实施例中，电容C91和电容C92的容值被设置为降低支路91和支路92上的等效阻抗的差异，从而降低流过支路91的电流I91和流过支路92的电流I92之间的差异，以保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

同时，在本实施例中，电容C91、电容C92和电容C93的容值相对前述实施例较小。也即，本实施例采用电容C91和电容C92进行部分补偿的方式，来降低各并联支路中的线圈感抗的差异，例如，在靠近磁片的线圈L91的感量为31uH，远离磁片的线圈L92的感量为28uH时，设置电容C91、电容C92和电容C93的容值均为30nF，这即能够实现各并联支路上的电流差异较小或基本相等、又能够满足发射线圈(L91、L92)和补偿电容(C91、C92、C93)之间的谐振关系，提高了无线充电效率，同时本实施例的线圈模组均采用较小的电容，降低了电路成本。

在其他可选的实现方式中，电容C91、电容C92和电容C93的容值可以不相等，其可以根据各并联支路上的线圈的感量进行设置，以达到线圈模组的工作性能与电路成本之间的平衡。可选的，线圈模组的工作性能与电路成本之间的平衡条件可以根据具体应用场景进行设置。

由此，本实施例通过给各并联支路上的线圈配置对应容值的谐振电容，并在各支路并联后再串联一个谐振电容，以降低或消除各并联支路之间的等效阻抗差异，从而降低或消除各并联支路之间的电流差异，由此，可以在保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率，同时可以降低电路的制作成本。

在另一种可选的实现方式中，线圈模组中各并联支路中的线圈沿平行于对应磁片的方向在同一水平面上左右并联绕制。在线圈绕制过程中，采用多个绕线并排在同一水平面上并联绕制，形成的线圈中的各线匝位置并不完全对称，因此各线圈的电感量依旧存在差异。本实施例通过在线圈模组中的各并联支路上分别串联一个谐振电容，以降低各并联支路之间的等效阻抗差异，从而使得流过各并联支路的电流相等或基本相等，降低功耗，提高无线充电效率。可选的，线圈模组中各线圈同心放置。可选的，线圈模组中各线圈的匝数相同。

图10是本发明实施例的另一种线圈模组的示意图。本实施例以线圈模组包括两个并联支路、各线圈同心设置且匝数相等为例进行举例说明，应理解，线圈模组中并联支路的个数、线圈位置及匝数设置方式根据具体应用场景的需求设置，本实施例并不对此进行限制。如图10所示，线圈模组10包括并联支路101和并联支路102。其中，并联支路101包括串联连接线圈L101和电容C101。并联支路102包括串联连接的线圈L102和电容C102。线圈101和线圈102沿平行于对应磁片m10的方向在同一水平面上左右并联绕制而成，线圈101和线圈102基本同心设置，匝数相等。线圈L101与电容C101谐振，线圈L102与电容C102谐振，以产生用于无线充电的电磁场。在本实施例中，电容C101和电容C102的容值被设置为降低或消除支路101和支路102上的等效阻抗的差异，从而降低或消除流过支路101的电流I101和流过支路102的电流I102之间的差异，以保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

在另一种可选的实现方式中，在采用各线圈沿平行于磁片的方向在同一水平面上左右并联绕制的线圈模组时，也可以在各支路并联后再串联一个谐振电容，以采用并联支路中的各电容进行部分补偿的方式，来降低各并联支路中的线圈感抗的差异，这即能够实现各并联支路上的电流差异较小或基本相等、又能够满足发射线圈和补偿电容之间的谐振关系，提高了无线充电效率，同时本实施例的线圈模组均采用较小的电容，降低了电路成本。

在一种可选的实现方式中，线圈模组还包括磁片(如上述实施例中的磁片m6和磁片m10)，以提高线圈的磁通量。磁片可以为一种软磁材料，例如NiZn铁氧体软磁片、MnZn铁氧体软磁片、纳米晶体软磁片等，本实施例并不对此进行限制。

图11是本发明实施例的另一种线圈模组的电路模型的示意图。在另一种可选的实现方式中，如图11所示，本实施例的线圈模组11包括N(N>1)个并联支路，各并联支路均包括一线圈Li和谐振电容Ci，i大于等于1小于等于N。其中，各谐振电容的容值被设置为降低或消除各并联支路之间的等效阻抗差异，以降低或消除各并联支路上的电流差异，从而降低损耗，提高无线传输效率。

在另一种可选的实现方式中，线圈模组中的各支路并联后串联连接一谐振电容，以采用并联支路中的各电容进行部分补偿的方式，来降低各并联支路中的线圈感抗的差异，这即能够实现各并联支路上的电流差异较小或基本相等、又能够满足发射线圈和补偿电容之间的谐振关系，提高了无线充电效率，同时本实施例的线圈模组均采用较小的电容，降低了电路成本。

本发明实施例中的线圈模组包括至少两个并联支路，所述并联支路包括串联连接的线圈和第一电容，各所述第一电容的容值被设置为降低或消除各所述并联支路之间的等效阻抗差异，以降低或消除各并联支路上的电流差异，由此，可以在保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

应理解，图6和图10所示的实施例中的线圈匝数均为示例性的，在实际应用中，应根据其应用场景设置线圈模组中各线圈的匝数，本实施例并不对此进行限制。并且，图6和图10所示的实施例均采用圆形或椭圆形的线圈及磁片，本实施例并不对线圈及磁片的形状进行限制，其他形状、例如方形(正方形或长方形)、其他规则多边形或者不规则形状均可应用在本实施例的线圈及磁片中。

图12是本发明实施例的电能发射电路的示意图。如图12所示，电能发射电路12包括线圈模组121。线圈模组121包括N个并联支路，每个并联支路包括线圈Li和谐振电容Ci，i大于等于1小于等于N。其中，N个线圈可以由至少N根绕线以并联方式绕制而成。其中，N个线圈沿垂直于对应磁片m的方向上下并联绕制，或者沿平行于对应磁片m的方向在同一水平面上左右并联绕制。N个电容的容值被设置为降低或消除各所述并联支路之间的等效阻抗差异，以降低或消除各并联支路上的电流差异，由此，可以在保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

在一种可选的实现方式中，线圈模组121还包括电容C，N个并联支路并联后与电容C串联连接，由此，本实施例可以采用各电容Ci部分补偿的方式，来降低各并联支路中的线圈感抗的差异，这即能够实现各并联支路上的电流差异较小或基本相等、又能够满足发射线圈和补偿电容之间的谐振关系，提高了无线充电效率，同时本实施例的线圈模组均采用较小的电容，降低了电路成本。

可选的，线圈模组121还包括磁片m，以提高线圈的磁通量。磁片可以为一种软磁材料，例如NiZn铁氧体软磁片、MnZn铁氧体软磁片、纳米晶体软磁片等，本实施例并不对此进行限制。

本发明实施例所采用的电能发射电路的线圈模组包括至少两个并联支路，所述并联支路包括串联连接的线圈和第一电容，各所述第一电容的容值被设置为降低或消除各所述并联支路之间的等效阻抗差异，以降低或消除各并联支路上的电流差异，由此，可以在保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率。

应理解，本申请实施例中的线圈模组同样可应用于电能接收线圈，也可实现在保证充电速度和充电自由度的同时，降低损耗，提高无线充电效率的功能。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线圈模组，其特征在于，所述线圈模组包括至少两个并联支路，所述并联支路包括串联连接的线圈和第一电容，各所述第一电容的容值被设置为降低或消除各所述并联支路之间的等效阻抗差异。

2.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，各所述并联支路中的线圈沿垂直于对应磁片的方向上下并联绕制。

3.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，各所述并联支路中的中的线圈沿平行于对应磁片的方向在同一水平面上左右并联绕制。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的线圈模组，其特征在于，各所述第一电容的容值相同。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的线圈模组，其特征在于，各所述第一电容的容值被设置为使得各所述并联支路上的等效阻抗相等。

6.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述线圈模组还包括第二电容，各所述并联支路并联后与所述第二电容串联连接。

7.根据权利要求2或3所述的线圈模组，其特征在于，各所述线圈同心放置。

8.根据权利要求2或3所述的线圈模组，其特征在于，各所述线圈的匝数相同。

9.根据权利要求1中任一项所述的线圈模组，其特征在于，所述线圈模组还包括磁片。

10.一种电能发射电路，用于以无线方式发射电能，其特征在于，所述电能发射电路包括如权利要求1-9中任一项所述的线圈模组。

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