Kabellose Ladelösung für tragbare Geräte

　　Tragbare Geräte entwickeln sich schnell zu einem wichtigen Marktsegment für elektronische Bauteile. Eine zentrale Voraussetzung für diese Geräte ist die Bequemlichkeit, nicht nur durch den Zugriff auf Daten zu beweglichen Objekten, sondern auch darauf, dass der Akku täglich einen ganzen Tag hält.

　　Wenn Nutzer Geräte zum Laden über Nacht anschließen müssen, ist es sehr wahrscheinlich, dass sie das Laden vergessen und nur aufwachen, um festzustellen, dass das Gerät den Rest des Tages unbrauchbar ist. Kabelloses Laden bietet eine bequemere Möglichkeit, elektronische Geräte zu laden. Für kabelloses Laden legen Sie das elektronische Gerät einfach auf das Ladepad, ohne ein Micro-USB oder ein ähnliches Kabel in das zu ladende Gerät einzustecken, und die Nutzer können das Pad in Reichweite platzieren. Wenn das drahtlose Ladesystem richtig gestaltet ist, kann ein einzelnes Ladepad mehrere Geräte gleichzeitig laden, sodass jedes einzeln aufgeladen werden muss und es den Nutzern leichter wird, das Pad und die Geräte beim Gehen mitzunehmen.

　　Heute ist der Komfort des drahtlosen Ladens nicht mehr auf tragbare Geräte beschränkt. Diese Technologie wird seit langem häufig in elektronischen Zahnbürsten eingesetzt und skaliert sogar proportional auf, um Elektrobatterien zu laden.

　　Das grundlegende Arbeitsprinzip des induktiven Ladens ist dasselbe wie das eines Leistungstransformators. Die Induktionsspule im Ladepad erzeugt ein wechselndes elektromagnetisches Feld, das dann von der Spule des zu ladenden Geräts empfangen und wieder in nützlichen Strom umgewandelt wird. Ähnlich wie bei herkömmlichen Transformatoren erfordert das grundlegende induktive Laden auch, dass zwei Spulen nahe beieinander angebracht sind, um eine hohe Effizienz zu gewährleisten. Andernfalls verursacht der Widerstand in der Primärspule erhebliche kumulative Verluste.

　　Resonante induktive Kopplung durch Erzeugung von zwei Spulen kann die Energieübertragungseffizienz über große Entfernungen verbessern. Konkret werden durch die Kombination von Induktor- und Kondensatorlasten diese beiden Spulen so abgestimmt, dass sie Resonanz bei derselben Frequenz erzeugen. Unter diesen resonanten Bedingungen kann eine große Menge elektrischer Energie von einer Spule auf eine andere übertragen werden, die mehrere Male deren Durchmesser hat.

　　Abbildung 1: Lastmodulation wird verwendet, um Daten während der Transformatorkopplung zu kodieren.

　　Der Q-Wert der Spulenschaltung kann angepasst werden, um nach mehreren Zyklen ein relativ starkes Magnetfeld zu erzeugen. Die in diesem Schwingungssignal übertragene Energie ist höher als die zu einem bestimmten Zeitpunkt an die Spule eingespeiste Energie. Da die Sekundärspule einen Teil dieses oszillierenden Magnetfeldes aufnehmen und umwandeln kann, ist die Ausgangsenergie höher als bei herkömmlichen Transformatoren. Die Verwendung abgestimmter Kondensatoren zur Erreichen der Resonanz kann Streu- und magnetisierende Induktivitäten im Emitter eliminieren und so den Widerstandsverlust der Spulenwicklung grundlegend verringern, der typischerweise das 10- bis 100-fache des induzierten Verlusts beträgt.

　　Um einen höheren Q-Wert als herkömmliche Transformatoren zu erreichen, sind Spulen in der Regel mit Magnetventilen ausgestattet, was ebenfalls hilft, die Hautwirkung zu minimieren. Typischerweise kann ein Dielektrizitätsverlust durch kleine dielektrische Konstantinduktoren oder ausschließlich durch Luft minimiert werden.

　　In der Praxis ist die Spule nicht immer auf eine exakte Resonanzfrequenz abgestimmt. Solange die Sekundärspule eine bestimmte Anzahl von Magnetfeldlinien abfängt, kann das lose gekoppelte System elektrische Energie übertragen. Eine engere Kopplung durch präzisere Spulenanpassung kann eine höhere elektrische Energie liefern, aber bei Spulen, die gleichzeitig unter Resonanzbedingungen arbeiten sollen, ist eine enge Kopplung zwischen ihnen unmöglich. Diese Schaltungen können so ausgelegt werden, dass sie nur unter verstimmten Modulatorbedingungen arbeiten, bei denen sich die Resonanzfrequenzen von Empfänger und Sender leicht unterscheiden.

　　Leider werden auch fest gekoppelte Spulen leicht von der Ausrichtung beeinflusst, und für Verbraucheranwendungen, bei denen Nutzer das Gerät einfach auf ein Ladepad legen möchten, um erfolgreich zu laden, ohne die beste Platzierung oder Platzierung zu berücksichtigen, stellt dies ein Problem dar. Daher kann der zum Laden verwendete Sender mehrere Spulen verwenden. Dies erhöht die Designkomplexität, bietet aber mehr Freiheit bei der Standortwahl. Eine Spulenüberlappung ist nicht erforderlich, was die Montage während der Produktion vereinfacht, obwohl die Spulenüberlappung die Dichte erhöht und mehr Bewegungsfreiheit bei der Platzierung der Empfänger ermöglicht.

　　Um verschiedene Geräte erfolgreich mit einem einzigen Sender aufzuladen, müssen bestimmte Standards angenommen werden. Derzeit werden zwei Hauptstandards verwendet. Das Powermat-System ist ein Standard, der von der Alliance for Wireless Power empfohlen wird und auf lose gekoppelte Systeme basiert, die auf einer einzelnen Senderspule basieren. Das Qi-System des Wireless Power Consortium ermöglicht eine Vielzahl von Konfigurationen, einschließlich gleichzeitiger lockerer und eng gekoppelter Operationen. Die meisten aktuellen Sender verwenden mehrspulige, eng gekoppelte Konfigurationen.

　　Diese beiden Standards berücksichtigen auch das Energiemanagement, um sicherzustellen, dass das Ladepad nur funktioniert, wenn das Gerät lädt. Zum Beispiel verwendet das Qi-System ein Kommunikationsprotokoll, um Signale auf der Spule weiterzuleiten, um das Vorhandensein eines Geräts zu überprüfen und zu prüfen, ob es das Qi-System unterstützt. Nach diesem Standard kann der Sender die Schaltfrequenz der Spule im Bereich von 110 kHz bis 205 kHz verändern und dient als Hauptsteuerungsmechanismus für die Leistungsübertragung.

　　Nach dem Qi-Standard wird eine einfache Modulation der Last durchgeführt, wobei die Spulenspannung Daten an Geräte auf der anderen Seite des Luftspalts sendet. Die Kommunikation von der Sekundärspule verwendet verschiedene Zweiphasen-Bitcodierungsschemata mit einer konstanten Betriebsfrequenz von 2 kHz und einem zusätzlichen Startbit vor jeder 8-Bit-Datenübertragung. Nach der Datenübertragung werden Paritätsprüfungen und Stoppbits verwendet.

　　Abbildung 2: Die Zweiphasencodierung ermöglicht die Übertragung binärer Daten.

　　Eine große Menge Steuerungsdaten kann übertragen werden. Die am häufigsten verwendeten Arten von Steuerdatenpaketen sind: Signalstärke, Steuerfehler, Terminalleistungsanforderungen und Leistungsstufen des Gleichrichters. Die Signalstärke hilft dabei, die Position des Geräts auf dem Ladepad anzupassen, und bei sichtbaren oder hörbaren Signalen führt sie den Nutzer, sich entlang des Ladepads zu bewegen, bis die Signalstärke hoch genug ist, um eine gute Stromversorgung anzuzeigen.

　　Das Steuerfehler-Datenpaket kann den Fehlergrad zwischen der vom Empfangsspule beobachteten Eingangsspannung und der erforderlichen Eingangsspannung anzeigen. Sender verwenden typischerweise Steuerkreise, um die an ihre Spulen angelegte Spannung anzupassen. Bei einem großen Fehler wird die Häufigkeit dieser Fehlerpakete auf einen höheren Wert gesetzt. Alle 32 ms wird ein Paket gesendet, bis der Fehler unter die Schwelle fällt. Aus dieser Perspektive werden diese Pakete alle 250 ms gesendet. Kontrollfehler-Datenpakete sind sehr hilfreich zur Anpassung der Stromversorgung. Bei leichter Last benötigen Empfänger möglicherweise eine höhere Spannung, um Stromtransienten zu überwinden – zum Beispiel das Aufwachen von tragbaren Geräten aus dem Schlafzustand. Wenn der Laststrom groß ist, benötigen portable Geräte möglicherweise eine niedrigere Spannung, um Leistungsverluste am LDO-Regler zu vermeiden.

　　Wenn das Gerät vollständig geladen ist oder ein interner Defekt erkannt wird, der die Batterie beschädigen könnte, sendet es eine Anfrage, die Stromübertragung zu stoppen. Die Stromversorgung wird ebenfalls durch gleichgerichtete Stromversorgungsinformationen gesteuert. Dies leitet den Stromanteil weiter, den das tragbare Gerät am Ausgang seines Gleichrichters empfängt. Der Sender nutzt diese Informationen, um die Kopplungsfrequenz zu bestimmen und außerdem festzustellen, ob der Empfänger seine maximale Leistungsgrenze erreicht hat. Alle 350 bis 1800 ms nutzt der Sender Lücken ohne Datenpakete, um festzustellen, ob das Gerät auf dem Ladepad entfernt wurde. Die Stromversorgungsinformationen des Gleichrichters helfen ebenfalls, Fremdkörper zu erkennen.

　　Chipsätze, die das Qi-Protokoll unterstützen und die Stromversorgung steuern, wurden bereits eingeführt. Zum Beispiel hat Toshiba TB6865AFG Geräte für Sender eingeführt. Diese hochintegrierte Komponente umfasst einen ARM Cortex-M3-Prozessor, der Kundencode ausführt, sowie einen PWM-Controller, der externe H-Bridge-Schaltungen unterstützt (für die Stromversorgung). Laut Qi-Standard kann der Controller die Stromversorgung von bis zu zwei Geräten steuern und unterstützt die Erkennung von Fremdkörpern.

　　Das BQ51013-Gerät ist ein Produkt von Texas Instruments, das für die Sekundärseite entwickelt wurde und in der Lage ist, AC/DC-Stromumwandlung, Gleichrichtung und digitale Steuerfunktionen zu übernehmen, die erforderlich sind, um Befehle an Sender zu senden. Alle Geräte der bq5101x-Serie verwenden einen niederohmigen synchronen Gleichrichter, LDO sowie Spannungs- und Stromschleifenregler.

　　Neben Controllern bieten Hersteller auch fertige Spulen an, die den Qi-Protokollstandard unterstützen und als Sender, Empfänger oder beides dienen sollen. Zum Beispiel unterstützt die AWCCA-50N50-Serie von Abracon sowohl Sender- als auch Empfängeranwendungen. Der Spulendurchmesser beträgt etwas weniger als 50 mm und besitzt einen starken antimagnetischen Widerstand, der die elektronischen Komponenten im Inneren des Geräts schützt. Diese Konstruktionen bieten einen Q-Faktor, der im Bereich von 70 oder 160 wählbar ist, mit einem Gleichstromwiderstand von etwa 20 mΩ oder 70 mΩ in diesen beiden Fällen.

　　Für kleinere tragbare Geräte hat TDK WR303050 Coils eingeführt und deren Gehäusegröße auf 30 x 30 mm mit einer Dicke von nur 1 mm reduziert. Bei Raumtemperatur beträgt der Gleichstromwiderstand 0,41 Ω.

　　Um die Flexibilität zu erhöhen, bietet Vishay Dales IWAS-3827 die Wahl mit rechteckigen statt quadratischen Substraten, die 38 mm lang und 27 mm breit sind. Diese Spule ist 1 mm dick, der Gleichstromwiderstand beträgt 0,18 Ω und der typische Q-Wert liegt bei 30.

　　Abbildung 3: AVishay Dale-Spule für kabellose Stromversorgung.

　　Um eine integriertere Lösung zu bieten, können TDKs TMx-66-2M7 und TMx-58-2M7 zusammen mit einem TI-Empfängerchip verpackt werden, wodurch ein Gehäusegerät mit einer Gesamtlänge von 66 mm und einer Dicke von nur 1 mm erreicht wird.

　　Weitere optionale kabellose Ladegeräte sind verschiedene WPCC- und WE-WPCC-Serien-Ladespulen, bereitgestellt von Würth Electronics. Diese Spulen sind sowohl als Sender- als auch als Empfänger erhältlich, mit Nennströmen von 0,8 bis 13 A und verschiedenen Größen, um unterschiedlichen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Wir können das Würth/TI Wireless Power Demo Kit (760308) nutzen, um das Konzept und die Vorteile des drahtlosen Ladens zu demonstrieren, das Würth-Sender- und Empfängerspulen verwendet.

　　Mit der Ausweitung der Ökosysteme rund um Protokolle wie Qi können wir mit integrierteren Lösungen rechnen, die die Designarbeit vereinfachen und einfachere Lademethoden für tragbare Geräte schaffen.