基于PCB技术的无线电能传输系统在手机行业的应用探讨
1 引言
自从1840年电磁感应现象及导线可以传输电能被人类发现至今，电能的传输主要是由导线进行，电工设备的连接一般也是通过插头和插座来实现的。但是这种传统的连接方式容易受到外界环境，诸如腐蚀、水、灰尘和污物的影响。对于一些不同部件之间需要相对独立运动的设备，小到微特电动机、精密仪表，大到工厂中的操作臂、机器人，城市交通中的电车、地铁，传统的电能传输传统上采用的接触方式在使用上存在诸如滑动磨损、接触火花、积碳和导体不安全裸漏等缺点。无线电能传输技术（IPTS，Inductive Power Transfer System）正是为了弥补这些不足而发明的一种基于感应电能传输原理的新技术，也称感应电能传输(IPT，Inductive Power Transfer)、感应耦合电能传输(ICPT，Inductive Coupled Power Transfer)或无接触电能传输（CPT，Contactless Power Transfer）。本文先介绍了无线电能传输系统和该技术的国内外的研究和应用现状，进而讨论了基于PCB的无线电能传输系统，最后探讨了基于PCB的无线电能传输系统在手机行业的应用。
2 无线电能传输系统简介
无线电能传输技术早在100年前就已经为人所知，并进行了大量的实验，但由于传输效率低，没有得到广泛应用了商业化。随着功率变换技术、控制技术和磁性材料的发展，以及无线电能传输需求的增长，无线电能传输技术得到了迅速的发展。
无线电能传输技术利用电磁感应原理实现电能传输，与传统的变压器结构相比，它们的感应耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上，电源和负载单元之间不需要机械连接进行能量耦合传输。这种初、次级分离的感应耦合电能传输技术不仅消除了摩擦、触电的危险，而且大大提高了系统电能传输的灵活性，显著减小了负载系统的重量。正因为无线电能传输系统多功能性好、可靠性高、柔性好，加上无接触、无磨损的特性，能够满足各种不同条件下电工设备用电需求，同时兼顾了信息传输功能的需求。
如图1所示，无线电能传输系统的基本结构包括：初、次级电路以及感应耦合电磁结构。初级交流电压经初级变换器，由初级绕组与次级绕组耦合，次级绕组耦合得到的电能经次级变换器供给负载使用，同时利用初次级绕组还可以实现信号的双向传输。
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图1 无线电能传输系统构成框图
3 国内外研究和应用现状
无线电能传输系统的研究应用涉及领域广泛。从传输功率方面来说，小到用于生物移植的几十毫瓦、小型设备的几十瓦功率，大到电动汽车或运动机器人的上千瓦功率甚至于磁悬浮列车应用的上兆瓦功率。
国外对无线电能传输技术的研究较早。最先研究的感应电能传输环节始于20世纪60年代,主要用于听觉修复系统和人工心脏系统的电能传输?科学家利用这项技术在动物体内进行移植实验,安全传输功率达150 W?经过长期的观察，产生的磁场对生物组织没有明显的负面影响。
无线电能传输技术在植入式装置能量供给方面也逐步得到发展，其中日本和欧美国家在该项技术上的发展尤为迅速。德国、比利时、意大利、爱尔兰还得到了国家基金项目的大力支持。早在1988年，德国的专家就已经把感应电能传输和控制技术应用于人造关节的控制。在九十年代后期开始，美国研究了人造器官的体外能量的供给系统。日本、韩国、新加坡以色列以及欧洲的研究机构公司相继推出了其感应电能传输的实物产品，感应电能传输将渐渐成为人造器官以及体内传感器电能供应系统的主流方式。
近年来，随着材料技术、电力电子器件、功率变换和控制技术的发展，无线电能传输技术的得到了更为广泛的应用和研究。无线电能传输技术是中国科协评选的“10项引领未来的科学技术”之一，该技术已经成为了国际的热点研究领域。松下、三洋、英国剑桥的Splashpower公司等都拖入大量的技术力量开发手机和笔记本的无接触感应电能传输设备。
我国对无线电能传输技术的研究开展的比较晚，但是近几年的研究也取得了一定的发展。我国在“863”计划中明确提出了对微型胶囊内窥镜的研究。2004年11月,重庆金山科技集团成功研制出了第一代OMOM胶囊型内窥镜，其尺寸为11 mm×25 mm。上海交大开展了基于射频感应控制的掌指人工关节研究，天津大学进行了植入式电子装置经皮感应充电研究，南京航空航天大学研制了植入式生物遥测装置无线电能传输系统，重庆大学研制了一种用于体内诊疗装置的无线电能传输系统。
4 基于PCB的无线电能传输技术
基于PCB技术的无线电能传输系统将无线电能传输技术和磁集成技术、平面变压器技术和现代电子电
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力技术相结合。基于PCB技术的无线电能传输技术运用于实际生产中，与产品其他各部件一起进行整体规划设计，使产品空间紧凑，减少材料消耗，特别适于自动化安装，具有相当广阔的应用前景。
4.1 基于PCB的磁集成技术
随着微电子技术的发展，在线圈小型化方面，采用了印刷电路板PCB方式的平面（planar）变压器技术，大大减小了感应线圈的体积，提高了能量密度。平面变压器技术具有以下优点：（1）工作频率高（50 kHz～2 MHz），能量密度大（达到100 W/g）；（2）体积小，空间紧凑，适于自动化安装；（3）采用PCB或铜箔，散热面积大，减少在高频工作条件下由集肤效应和临近效应所引起的涡流损耗并有利于散热；（4）传统绕组的电流密度为2～6 A/ mm2，而平面变压器可以高达20 A/ mm2；（5）PCB板绕组容易实现任意绕组的交替绕制，实现初、次级线圈的紧密磁耦合，从而减少漏感和绕组涡流损耗，现有平面变压器产品的漏感损失可以小于总损耗的0.2％。
一般的，只有趋肤深度小于印刷导线铜箔厚度的50%的时候，才需要考虑趋肤效应的影响。对于普通PCB铜箔，只有当通过电流频率高于12MHz时才需要考虑趋肤效应，而对于目前绝大部分应用，工作频率都在10MHz以下错误!未找到引用源。。同样，由于铜箔的厚度远远小于它的宽度，导线间的匝间影响很低，邻近效应的影响也远远小于一般导线。PCB上导线的超扁平结构有效地消除了趋肤效应和邻近效应对高频交流电流的影响，大大提高了线圈交变电流的通过性，这也正是基于PCB结构的无线电能传输系统的优势所在。
平面变压器的优点是体积重量小，漏感小，在相同功率下，平面变压器的体积仅为传统变压器的20％。传统变压器为了减少漏磁，一般设计成细长形(使磁心体积小，绕组平均长度短)。而平面变压器的结构呈宽扁形，厚度小于1 cm，散热面积大；此外，平面结构容易实现绕组交错，从而使漏感减为最小。据报道，现有平面变压器产品的漏感小于0.2％。传统的“线绕”式变压器按照规范设计，容易实现标准化。但设计高密度电源的平面变压器或平面电感，就完全不同于传统磁元件的标准设计。例如，平面变压器的散热过程是先以传导方式将热量送到电源的外壳，再通过散热器以对流方式靠自然冷却或风冷将热量散发。平面变压器的性能与许多因素有关，如绕组的结构与布置、绕组端部(terminal)、铜片厚度、磁心结构与几何尺寸等。设计结果希望直流和交流阻抗小，漏减小，同时绕组端部的设计应使高频场影响为最小。应用宽片状导线可以减少高频下集肤效应和邻近效应的附加损耗。平面绕组可以用铜箔、绞合铜线、多层印制导线(Printed Wire)，或PCB等。PCB的窗口利用率较低，仅为0.25~0.3（一般窗口利用率为0.4）。
空心(Coreless)印制电路板(PCB)变压器，没有磁心，利用印制螺旋形绕组、印制在单面、双面甚至多层PCB上。其优点是：呈平面形、体积小、损耗小、效率高、制造过程简单，并可以准确地控制参数。在电源中有两种应用：一是100 W以下小功率DC／DC高频(10 MHz)转换器；二是开关晶体管驱动电路中传输
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基于PCB技术的无线电能传输系统在手机充电应用的探讨
