ANSYS 部落格
February 16, 2024
無線充電的散熱管理：挑戰與解決方案
無線充電器可透過電磁感應傳送電能，無需直接的電氣接點就可為我們的手機、手錶、平板電腦、耳塞式耳機等裝置充電，再也不需要透過雜亂不堪的電纜與電線進行充電。然而，隨著愈來愈高的電子裝置充電速度需求，散熱管理在防止過熱問題中也變得至關重要，尤其當電子裝置變得愈來愈小且更加便於攜帶後更是如此。
是什麼原因導致無線充電器過熱？
無線充電器係使用電磁感應將能量從充電器的發射線圈傳送到裝置的接收線圈中。在充電期間，您可能會注意到裝置和充電器摸起來都變熱了。這是由於充電器元件中的電磁損耗引起功率消耗，進而產生熱能。
在 Ansys Maxwell 中模擬無線充電智慧手錶的磁通量強度向量和整體損耗分佈
無線充電中的能量傳送
電能透過裝置的發射線圈轉換成磁場，然後再由接收線圈轉換回電能。
為了限制能量損耗並最大化充電效率，必須正確對準發射線圈和接收線圈。當放置到正確的充電位置上時，充電器和接收器中的磁鐵會讓使用者有一種「鎖定」的感覺。
無線充電器的散熱挑戰
除了對準線圈之外，無線充電器還面臨獨特的散熱挑戰，必須解決這些挑戰，才能確保使用者的安全和裝置效能。
輕巧設計：由於外殼小巧，因此將散熱冷卻系統整合至充電器的選擇也受到限制。
標準合規：必須符合法規要求，以確保充電器能在安全操作限制範圍內正常運作 (皮膚痛覺閾值低於 44°C)。
變數條件：無線充電器必須能夠適應負載和環境溫度等即時變化。
尋找有效的散熱管理策略
無線充電器散熱管理的主要挑戰與其他電子產品所遇到的挑戰大同小異，這類產品都需要更迅捷的充電速度以及更小巧的裝置規格。消費者想要的是既快速方便，又能夠放在口袋裡的充電解決方案。但是，為了維持智慧型手錶或其他小型消費性電子裝置整體的輕巧外型，可能就無法使用像風扇這類的大型冷卻解決方案。藉由尋求如以下所列的替代冷卻方法，工程師在設計小空間的解決方案時也能夠遵循安全溫度閾值。
材料選擇：選擇像矽基材料等熱傳導能力較樹脂材料更高的材料，將有助於改善散熱效果，例如智慧型手錶的外殼。
元件配置：透過參數掃描研究將元件位置與尺寸最佳化，以避免發熱元件過於集中。
通風：在元件周圍引進自然或強制氣流，以便分散熱能並促進散熱冷卻效能。
隔熱：利用能將傳遞至鄰近區域的熱能降到最低的材料包住發熱元件。
散熱片：提供路徑和表面，有助於透過散熱鰭片導出熱源中的熱能。
系統效率分析：透過考慮無線充電器的磁性、散熱和電力電子方面來評估系統效能，進而為消費者提供更迅捷的充電體驗。
在考慮材料選擇、元件配置和外殼類型等不同的散熱管理選項時，設計人員通常有很多選擇。使用無線充電器設計進行模擬，可協助電子設計人員在進行原型設計之前，驗證其散熱管理策略，並將設計最佳化。Ansys Maxwell、Ansys Icepak 及 Ansys Granta 等模擬軟體可協助設計人員了解在各種效能情境中，每一項選擇將會如何影響其目標。
無線充電器散熱管理的未來發展為何？
散熱管理可讓裝置不會因為充電而發熱，進而確保快速高效率的能量傳送，同時也維護電子產品的安全性和使用壽命。以下這幾項全新的散熱冷卻創新技術，將為我們隨時待命的生活方式提供滿滿電力，進而帶來更快速也更方便的無線充電效能。
連續充電：只要裝置位於無線充電器的範圍內，就可以使用無線電波為裝置進行充電。
嵌入式充電器：將無線充電技術融入到我們日常生活的每個元素中，包括大眾運輸及家具等。
通用準則：為使用者打造跨裝置類型和製造商的無縫充電體驗，進而建立全球化相容性。
請觀看我們的隨選網路研討會：「最佳化無線充電器效率和散熱效能的技術」，以進一步了解相關資訊。