Einführung in den neuen MP von TDK

TDK nutzt seit langem Verkupferungsverfahren zur Konstruktion von Metallspulenstrukturen, die in Leistungsinduktivitäten verwendet werden, und hat diese bewährte, ausgereifte Technologie nun genutzt und auf drahtlose Leistungsspulen angewendet. Die TFM-Leistungsinduktorserie von TDK nutzt eine ähnliche High-Aspekt-Plattierung (HAP)-Kupfertechnologie, um die Querschnittsfläche des Spulenmusters zu vergrößern und so den Gleichstromwiderstand (DCR) zu reduzieren. Aufgrund dieser umfangreichen Erfahrung wurden die Strukturierungs- und Plattierungsprozesse so weit verbessert, dass sie nun in drahtlosen Sendespulen (Tx) verwendet werden können, die traditionell für die Verwendung von Litzendraht erforderlich sind.

Die von Qi zugelassene MP-A28-Spule besteht aus drei wichtigen Innovationsbereichen:

Die Fähigkeit zur flexiblen Spulenstrukturierung ermöglicht eine bessere Steuerung und Formung des Magnetfelds (H) und konzentriert so den Magnetfluss (ɸ) dort, wo er die magnetische Kopplung mit dem Rx-Gerät und die Effizienz optimiert. Durch die Strukturierung können die für Mehrfachspulenstrukturen typischen „Spitzen“ und „Täler“ der Ladeeffizienz reduziert werden. Die Strukturierung reduziert/entfernt auch die Bereiche mit geringer Effizienz („tote“) an den Rändern der gesamten Spule.

Der Spulenbeschichtungsprozess ist ein additiver Prozess, bei dem Kupfer an einer bestimmten Stelle plattiert wird. Dies unterscheidet sich von Leiterplatten (PCBs) und/oder flexiblen Leiterplatten (FPCs), bei denen ein massives Kupferblech geätzt wird und nur als subtraktiver Prozess das gewünschte Kupfermuster hinterlässt.

Das „Nassverfahren“ der Abschirmung verwendet Mn-Zn-Ferritmaterial und wird als nasse „Aufschlämmung“ auf eine Trägerfolie mit einer Dicke von 0,3 mm aufgetragen. Die Dicke kann jedoch bis zu 0,1 mm betragen. Nach dem Auftragen auf die Folie wird das Ferrit gesintert und vorgerissen.

Für den vorherrschenden Low-Power-Standard für drahtloses Laden des Wireless Power Consortium waren die meisten zugelassenen Standard-Sendespulen (Tx) in der Vergangenheit drahtgewickelt. Genauer gesagt wurde Litzendraht verwendet. Dieser mehradrige Drahttyp mit seiner größeren Kupferoberfläche wird verwendet, um Skineffektverluste zu reduzieren, die zu einem höheren Wechselstromwiderstand (ACR) bei der Betriebsfrequenz beitragen. Aufgrund dieses Phänomens nutzt die Musterspule des MP-A28 auch eine patentierte mehrschichtige Stapelstruktur, um Wechselstrom-Kupferverluste zu verringern.

Die neue Musterspulentechnologie von TDK implementiert verschiedene neue Materialprozesse und Konstruktionstechniken, um dem Endbenutzer ein breites Spektrum an Funktionen und Vorteilen zu bieten. Zu den wichtigsten Vorteilen gehören:

Dünn – die streng kontrollierte Kupferbeschichtungsdicke, erhältlich von 5 µm bis 150 µm, zusammen mit einer 0,3 mm Mn-Zn-Ferritabschirmung im Nassverfahren ermöglichen eine Gesamtdicke der Spulenbaugruppe von 0,76 mm für MP-A28 15 W Qi-konforme Sendespulen. Dies führt dazu, dass alle Ladegerätdesigns, die die MP-A28-Spulenbaugruppe verwenden, dünner und leichter sind.

Ein dünnes Kupferspulenmuster hat auch einen Vorteil bei der Systemleistung. Die magnetische Kopplung (K) wird durch den physischen Abstand zwischen den magnetischen Abschirmungen des Senders (Tx) und des Empfängers (Rx) beeinflusst. Durch das ultradünne Spulenmuster führt dies dazu, dass die MP-A28-Spulenabschirmung näher an der Ladungsoberfläche und näher am Rx-Gerät liegt und somit die magnetische Kopplung und Effizienz verbessert wird.

Gewichtsreduzierung – insbesondere jetzt, da Hersteller von Elektrofahrzeugen versuchen, die Batterieladung und die Fahrzeugreichweite zu erhöhen, ist Gewichtsreduzierung weiterhin ein wichtiges Gesprächsthema. Bei der MP-A28-Spule von TDK ermöglicht die dünne Fähigkeit des Nassverfahrens/Materials mit höherer Permeabilität (µ') eine Gewichtsreduzierung der Tx-Spule bei gleichzeitiger Beibehaltung der erforderlichen Ladeleistung.

Konstanz der elektrischen Parameter – Die MP-A28-Spule verwendet einen Fotomasken-/Galvanikprozess, der Luftspulen mit weniger als 0,5 % elektrischer Variation ergibt. Die MP-A28-Spule verwendet außerdem eine koplanare Struktur sowohl für die Kupferspulenstruktur als auch für die Ferritabschirmung. All dies stellt sicher, dass die Induktivitäts- (Ls) und Widerstandswerte (Rs) der gesamten Spule nicht variieren, wie dies bei drahtgewickelten Spulen der Fall ist. Drahtgewickelte Spulen weisen Schwankungen in der Isolationsdicke, Abweichungen von Windung zu Windung in Bezug auf die Koplanarität und Probleme bei der Kontrolle der Drahtspannung am Draht während des Wickelns auf, wodurch sich die magnetische Länge und der jeweilige Ls-Wert ändern.

Komplizierte Spulenmusterdesigns – TDKs hochpräzises Kupferadditivverfahren bietet Möglichkeiten zur Gestaltung unregelmäßig geformter Spulenmuster, die dazu beitragen, „tote Zonen“ zu reduzieren, in denen die Ladeeffizienz verringert ist oder im Gegensatz zu herkömmlichen drahtgewickelten Spulen überhaupt nicht funktioniert. Das innovative MP-A28-Spulenmuster ermöglicht außerdem die Formung des Magnetfelds (H) und die Fokussierung des Magnetflusses (ɸ) auf die Bereiche mit der besten Ladung. Dies trägt auch dazu bei, das Magnetfeld von benachbarten Metallgegenständen fernzuhalten und den Magnetfluss zu begrenzen, der in andere Bereiche des Ladegeräts [Telefon] gelangt.

Magnetische Flussverteilung für Tri-Coil vom drahtgewickelten Typ

Von der MP-A28-Spule erzeugte magnetische Flussverteilung

Durch das gleichmäßigere Magnetfeld wird auch bei Fehlausrichtung zwischen der Tx-Spule und der Rx-Spule innerhalb des zu ladenden Geräts eine Verbesserung der Effizienz erreicht.

WPC MP-A13 Spuleneffizienzkarte

WPC MP-A28 Spuleneffizienzkarte

Darüber hinaus besteht die neue MP-A28-Spule aus mehreren parallelen Leiterbahnen auf mehreren Schichten, um die Oberfläche jeder effektiven Windung zu vergrößern und so Skin-Effekte bei Wechselstrom (AC) der Kupferleiterbahn zu minimieren, die den AC-Widerstand (ACR) erhöhen, was wiederum die Drahtverluste und die Temperatur erhöht steigen und somit die Effizienz verringern.

Reduzierte Teileanzahl – der Qi-Beschwerde MP-A28 ist als Einzelladespulenstruktur konzipiert, die so dimensioniert und geformt ist, dass sie eine bessere Abdeckung als Dreispulenkonfigurationen bietet. Da es nur eine einzige Spule gibt, können viele der doppelten elektronischen Teile, die mit der Struktur der Dreispule verbunden sind, eliminiert werden, wodurch die Anzahl der Teile und die Stücklistenkosten reduziert werden. Der MP-A28 benötigt nur einen Treiber, einen Schalter und eine Resonanzkondensatorbank (Cs) und kann bei Verwendung auch auf Thermistoren verzichten.

Robustes Automobildesign – Für Automobilanwendungen gelten strenge Anforderungen, die für andere Anwendungen und Endmärkte nicht gelten. Der Vorrissprozess des dünnen Ferritschirms stellt sicher, dass es bei unerwünschten Ereignissen wie mechanischem Schock, Vibration, Stößen, Thermoschock usw. nicht zu zusätzlicher Rissbildung und damit zu Leistungseinbußen kommen kann.

Einfacher Leitungsanschluss – Aufgrund der flachen Leiterbahn der MP-A28-Spule, die durch den Strukturierungsprozess entsteht, ist die Spule entweder mit Kupferleitungen erhältlich oder kann mit Anschluss-/Stiftleisten geliefert werden, um eine einfache Montage beim Anschluss an die Hauptplatine zu ermöglichen Enthält die Komponenten des Ladekreises. TDK befestigt diese Stifte mithilfe eines lötfreien Ultraschallschweißverfahrens. Dadurch entfällt die Notwendigkeit von Durchgangslöchern, Löten, Entlöten bei Nacharbeiten usw., wie sie bei der Verwendung von drahtgewickelten Spulen erforderlich sind.

Integrierte NFC-Antennen – Ein großer Vorteil der Verkupferung auf einer Trägerfolie besteht darin, dass auch zusätzliche unabhängige Spulenmuster auf derselben Trägerschicht integriert werden können. Eine häufige zusätzliche Spule, die in drahtlosen Ladeübertragungsgeräten verwendet wird, sind Nahfeldkommunikationsantennen (NFC). Da die Galvanisierung unabhängig vom Umfang der erforderlichen Strukturierung ist, ist das Hinzufügen der NFC-Spule zur vorhandenen Spulenstruktur für die drahtlose Stromversorgung mit minimalen Kosten verbunden. Die NFC-Antenne nutzt dann die vorhandene Ferritabschirmung, wodurch die Notwendigkeit doppelter Abschirmungen und die damit verbundenen Kosten entfallen. Dadurch verringert sich der Flächenbedarf für die Umsetzung beider Technologien, da diese üblicherweise nebeneinander platziert werden, und es wird auch Gewicht eingespart.

Optionaler EMI-Bildschirm – Der MP-A28 verfügt außerdem über einen optionalen EMI-Metallgitterschirm, bei dem es sich um eine separate 30 µm dicke Schicht handelt. Dieser Bildschirm soll dazu beitragen, die Anforderungen von Automotive CISPR 25 zu erfüllen. Indem der Schirm über dem Spulenmuster des MP-A28 angebracht und dann elektrisch geerdet wird, kann eine wirksame und leichte Lösung zur Unterdrückung von elektromagnetischen Störungen erhalten werden. Die Auswirkung des Hinzufügens des EMI-Bildschirms zum Stapel beträgt weniger als 1 % Effizienzverlust.