無線電源傳輸｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	賴志偉 Chih Wei Lai
論文名稱：	無線電源傳輸 Contactless Power Transmission
指導教授：	黃柏鈞 Po-Chiun Huang
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 電機工程學系 Department of Electrical Engineering
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	55
中文關鍵詞：	無線電源、電源傳輸
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在本篇論文中，主要是提出一個構想，想要將傳統的，利用電纜線的供電方式，改成一個無線的方式。雖然利用近場電感交鏈的無線電源傳輸已經被廣泛得使用在工業，消費性電子及生醫產品等方面。不過大部分產品都是利用外接電感來擷取能源。在本篇論文中，主要是想評估利用一個整合在晶片上的天線來接收能源的可行性，探討是否有可能將晶片改成無線的供電系統。一開始先提出目前已經出現在市面上，開始被使用的產品或者在論文中已經證實可以正常運作的架構。及與我們的目標之間的差異所會造成的影響。

第二部份是利用電磁學中關於磁場方面的Biot-Savart定律及法拉第定律來分析會造成影響的因素，探導如何將這個因受到先天限制所造成的結果加以提升。這些因素包括發端所造成的磁通量密度、接收端面積、射端及接收端之間的相對位置、距離、整個系統的parasitics等等。為了驗證這些理論的推導結果，我們設計及量測了一些實驗。這些實驗結果可以幫助我們去進一步建立一個跟on-chip天線連接的測試系統。

第三部份是晶片實作部份。因為本構想是要建立一個新的電源供應給晶片使用，所以利用台積電的0.18um製程來實作出一個樣本，量測如果將大尺寸的架構微縮到晶片上時的結果。如果所有parasitics 被正確估算，在這個天線總面積是0.11mm2的模組中，當接收端跟發射端距離2mm時，會有一個coupling coefficient 等於1%的實驗結果。

Contactless power transmission using near-field inductive coupling is widely applied in modern
industrial, consumer, and biomedical electronics. However, most of these applications connect an
external inductor to harvest adequate energy. In this thesis a feasibility study of inductive coupling
power harvesting with integrated antenna is made. Based on Faraday and Biot-Savart theories, the
factors that will influence the coupling coefficient are estimated. These factors include transmitter
flux density, receiver dimension, relative position and distance, parasitics, and so on. To verify
the validation, some experiment are set up and measured. These outcomes are helpful for a test
circuit with on-chip antenna. If all the parasitics can be well controlled, measurement results
demonstrate that the coupling efficiency of 1% can be expected under the antenna area of 0.11mm2
and transmitter-receiver distance of 2mm.

Introduction 1
Theoretical Derivations 3
1 Coupling Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Flux density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Inductance of the coil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4 Induced voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
5 Effect of the transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
5.1 Effect of turns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5.2 Effect of radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5.3 Simulation of effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
6 Effect of the receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
6.1 Effect of turns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6.2 Effect of radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6.3 Simulation of effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
7 Effect of distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
7.1 Derivation of theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
7.2 Simulation of effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
ii
CONTENTS
Experimental Verification with Discrete Elements 20
1 Verification of the theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Alignment between the Transmitter and the Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Coil Turns of the Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4 Coil Dimension of the Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5 Core Material in the Transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
6 Coil Size of Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
7 Load in the Receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Verifications with On-Chip Antenna 38
1 Circuit Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 On-Chip Antenna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1 Simulation by ASITIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2 Simulation by ADS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Instrument Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1 Operating amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Simulation of instrument amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4 Implementation of the Test Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5 Result of preliminary measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6 Measurement of coupling coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7 Different Type of Carrier Waveform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
8 Carrier Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
9 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
iii
CONTENTS
Conclusion and FutureWork 54
1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
iv
List of Figures
1 Result of different area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1 structure of coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 the circular loop with current I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Coil structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4 Circular loop with flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
5 structure of coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
6 the location of coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
7 the effect of transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
8 the effect of receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
9 the effect of distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1 Experiment setup for verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2 Experiment I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Experiment result of two large coils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 Experiment II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5 Experiment result of smaller receiver coil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6 Simulation Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
v
LIST OF FIGURES
7 Experiment of Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
8 the result of experiment of alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
9 Coil Turns of the transmitter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
10 the result of experiment of turns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
11 the result of the simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
12 Effect of Shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
13 the experiment result of shape . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
14 Effect of Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
15 the experiment result of core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
16 Effect of shape of receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
17 the experiment result of area of the receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
18 equivalent circuit of the receiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
19 the simulation result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
20 the experiment setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
21 the experiment result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1 the structure of chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2 the q factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3 the π model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 the inductor pattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5 ADS result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6 the amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7 Operating amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
vi
LIST OF FIGURES
8 Hspice result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
9 Simulation of instrument amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
10 Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
11 Basic measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
12 Measurement result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
13 Result of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
14 Result of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
15 Induced Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
16 Coupling Coefficient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
17 Output waveform for 5MHz Carrier with different waveform . . . . . . . . . . . . 51
18 Result of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
vii
List of Tables
1 Spec of OPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

                                

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