Introducción al nuevo MP de TDK

TDK tiene una larga trayectoria en la utilización de procesos de revestimiento de cobre para construir estructuras de bobinas metálicas utilizadas en inductores de potencia y ahora ha aprovechado esta tecnología madura y comprobada y la ha aplicado a bobinas de potencia inalámbricas. La serie de inductores de potencia TFM de TDK ha utilizado una tecnología de cobre de revestimiento de alto aspecto (HAP) similar para aumentar el área de la sección transversal del patrón de bobina y reducir la resistencia a la corriente continua (DCR). A partir de esta vasta experiencia, los procesos de modelado y revestimiento se han mejorado hasta el punto en que ahora se pueden utilizar en bobinas de transmisión de potencia inalámbrica (Tx) que tradicionalmente requieren el uso de alambre litz.

La bobina MP-A28 aprobada por Qi consta de 3 áreas innovadoras clave:

La capacidad de diseño de bobina flexible permite un mejor control y configuración del campo magnético (H), concentrando así el flujo magnético (ɸ) donde optimiza el acoplamiento magnético con el dispositivo Rx y la eficiencia. El patrón permite reducir los “picos” y “valles” de eficiencia de carga, típicos de estructuras de bobinas múltiples. El patrón también reduce/elimina las áreas de baja eficiencia (“muertas”) alrededor de los bordes de la bobina completa.

El proceso de revestimiento de bobinas es un proceso aditivo en el que el cobre se recubre en un lugar designado. Esto difiere de las placas de circuito impreso (PCB) y/o las placas impresas flexibles (FPC) donde se graba una lámina de cobre sólida y solo deja el patrón de cobre deseado como un proceso sustractivo.

El “proceso húmedo” del escudo utiliza material de ferrita de Mn-Zn y se aplica como una “lechada” húmeda a una película portadora con un espesor de 0,3 mm... aunque puede ser tan delgada como 0,1 mm. Después de aplicarse a la película, la ferrita se sinteriza y se precraquea.

Para el estándar de carga inalámbrica de baja potencia dominante del Wireless Power Consortium, la mayoría de las bobinas de transmisión estándar (Tx) aprobadas históricamente se han basado en cables enrollados. Más específicamente, se ha utilizado alambre litz. Este tipo de cable multifilar, con su mayor superficie de cobre, se utiliza para reducir las pérdidas por efecto superficial que contribuyen a una mayor resistencia de la corriente alterna (ACR) a la frecuencia de funcionamiento. Debido a este fenómeno, la bobina de patrón del MP-A28 también utiliza una estructura de apilamiento multicapa patentada para ayudar a mitigar las pérdidas de cobre de CA.

La nueva tecnología de bobinas de patrón de TDK implementa varios procesos de materiales y técnicas de construcción nuevos para lograr un amplio espectro de características y beneficios para el usuario final. Algunos de los beneficios clave son:

Delgada: el espesor del revestimiento de cobre estrictamente controlado, disponible de 5 um a 150 um, junto con un blindaje de ferrita Mn-Zn de 0,3 mm de proceso húmedo, permiten un espesor total del conjunto de bobina de 0,76 mm para bobinas de transmisión MP-A28 de 15 W compatibles con Qi. Esto da como resultado un diseño de cargador más delgado y liviano que utiliza el conjunto de bobina MP-A28.

Tener un patrón de bobina de cobre delgado también tiene un beneficio en el rendimiento del sistema. El acoplamiento magnético (K) se ve afectado por la distancia física entre los escudos magnéticos de transmisión (Tx) y recepción (Rx). Con el patrón de bobina ultradelgado, esto da como resultado que el blindaje de la bobina MP-A28 esté más cerca de la superficie de carga, más cerca del dispositivo Rx y, por lo tanto, mejora el acoplamiento magnético y la eficiencia.

Reducción de peso: especialmente ahora que los fabricantes de vehículos eléctricos intentan ampliar la carga de sus baterías y la autonomía de sus vehículos, la reducción de peso sigue siendo un tema de conversación importante. Con la bobina MP-A28 de TDK, la capacidad de delgadez del material del proceso húmedo/mayor permeabilidad (μ'), permite una reducción del peso de la bobina Tx mientras se mantiene el rendimiento de carga requerido.

Consistencia de los parámetros eléctricos: la bobina MP-A28 utiliza un proceso de fotoenmascaramiento/galvanoplastia, que produce bobinas de aire con menos del 0,5 % de variación eléctrica. La bobina MP-A28 también utiliza una estructura coplanar tanto para el patrón de la bobina de cobre como para el blindaje de ferrita. Todo esto asegura que los valores de inductancia (Ls) y resistencia (Rs) de la bobina completa no varíen como lo hacen con las bobinas bobinadas. Las bobinas de alambre enrollado tienen variación en el espesor del aislamiento, variaciones de devanado entre espiras en términos de coplanaridad y problemas de control de tensión del alambre durante el devanado, lo que cambia la longitud magnética y el valor Ls respectivo.

Diseños de patrones de bobinas complejos: el proceso de aditivos de cobre de alta precisión de TDK crea oportunidades para diseñar patrones de bobinas de formas irregulares que ayudan a reducir las "zonas muertas" donde las eficiencias de carga disminuyen o no funcionan por completo como con las bobinas de alambre tradicionales. El innovador patrón de bobina MP-A28 también permite moldear el campo magnético (H) y enfocar el flujo magnético (ɸ) en las regiones de mejor carga. Esto también ayuda a mantener el campo magnético alejado de cualquier objeto metálico vecino y limita el flujo magnético que ingresa a otras áreas del dispositivo de carga [teléfono].

Distribución de flujo magnético para Tri-Coil de tipo bobinado

Distribución de flujo magnético generado por la bobina MP-A28

Con un campo magnético más uniforme, también se logra una mejora en la eficiencia en caso de desalineación entre la bobina Tx y la bobina Rx dentro del dispositivo a cargar.

Mapa de eficiencia de la bobina WPC MP-A13

Mapa de eficiencia de la bobina WPC MP-A28

Además, la nueva bobina MP-A28 consta de múltiples trazas en paralelo en múltiples capas para aumentar el área de superficie de cada vuelta efectiva para minimizar los efectos superficiales de la corriente alterna (CA) de las trazas de cobre que aumentan la resistencia de CA (ACR), lo que posteriormente aumenta las pérdidas y la temperatura del cable. aumentan y por tanto, reducen la eficiencia.

Recuento de piezas reducido: el MP-A28 compatible con Qi está diseñado como una estructura de bobina de carga única cuyo tamaño y forma proporcionan una mejor cobertura que las configuraciones de tres bobinas. Dado que solo hay una bobina, se pueden eliminar muchas de las piezas electrónicas duplicadas asociadas con la estructura de la triple bobina, reduciendo así el recuento de piezas y los costos de la lista de materiales. El MP-A28 requiere solo un controlador, un interruptor y un banco de capacitores resonantes (Cs) y también puede eliminar termistores, si se usan.

Diseño automotriz robusto: las aplicaciones automotrices tienen requisitos estrictos que no se imponen a otras aplicaciones ni mercados finales. El proceso de precraqueo del fino escudo de ferrita garantiza que no puedan producirse grietas adicionales y, por tanto, pérdida de rendimiento en caso de eventos no deseados como: choque mecánico, vibración, impactos, choque térmico, etc.

Facilidad de terminación de cables: debido a la traza plana de la bobina MP-A28 que se crea mediante el proceso de modelado, la bobina está disponible con cables de cobre o puede suministrarse con clavijas de conector/cabezal para facilitar el montaje al conectar a la PCB principal. que contiene los componentes del circuito de carga. TDK fija estos pines mediante un proceso de soldadura ultrasónica sin soldadura. Esto elimina la necesidad de realizar orificios pasantes, soldar y desoldar durante el retrabajo, etc., como se requiere cuando se utilizan bobinas de alambre enrollado.

Antenas NFC integradas: una de las principales ventajas del revestimiento de cobre sobre una película portadora es que también se pueden integrar patrones de bobinas independientes adicionales en la misma capa portadora. Una bobina adicional común utilizada en dispositivos de transmisión de carga inalámbrica son las antenas de comunicación de campo cercano (NFC). Dado que el galvanoplastia es independiente de la cantidad de patrón requerido, agregar la bobina NFC a la estructura de la bobina de energía inalámbrica existente tiene un costo mínimo. Luego, la antena NFC utiliza el blindaje de ferrita existente... eliminando la necesidad de blindajes duales y el costo correspondiente. Esto reduce el área necesaria para implementar ambas tecnologías, ya que normalmente se colocan una al lado de la otra, además de reducir el peso.

Pantalla EMI opcional: el MP-A28 también tiene una pantalla de malla metálica EMI opcional que es una capa separada de 30 um de espesor. Esta pantalla está destinada a ayudar a cumplir con los requisitos automotrices CISPR 25. Al colocar la pantalla sobre el patrón de bobina del MP-A28 y luego conectarlo eléctricamente a tierra, se puede obtener una solución de supresión de ruido EMI efectiva y liviana. El impacto de agregar la pantalla EMI a la acumulación es menos del 1% de disminución de eficiencia.