In einem typischen induktiv gekoppelten drahtlosen Energieübertragungssystem induziert ein von einer Sendespule erzeugtes magnetisches Wechselfeld einen Wechselstrom in eine Empfangsspule. Der Hauptunterschied zum Transformatorprinzip besteht darin, dass ein Luftspalt oder ein nicht-magnetisches Material Sender und Empfänger trennen. Außerdem ist die Kopplung zwischen Sendespule und Empfangsspule sehr schwach. Während diese in einem Transformator 0,95 bis 1,0 beträgt, variiert sie in einem drahtlosen Energieübertragungssystem von 0,8 bis zu 0,05.

Grundlagen der drahtlosen Batterieladung

Eckdaten

Dem kabellosen Laden von batteriebetriebenen elektronischen Geräten kommt in dem Maße immer größere Bedeutung zu, wie die Größe dieser Geräte immer mehr abnimmt und man daher auf Stecker ganz verzichten muss. Beim Design entsprechender Ladesysteme spielen moderne Sender- und Empfänger-ICs eine wichtige Rolle.

Ein drahtloses Energieübertragungssystem besteht aus zwei Teilen, die durch einen Luftspalt getrennt sind: dem Sender (TX) einschließlich der Sendespule und dem Empfänger (RX) einschließlich der Empfangsspule. Ein Schlüsselparameter eines solchen Systems ist die benötigte Ladeenergie. Diese hängt von der Sendeenergie, dem Abstand und der Anordnung von Sende- und Empfangsspulen zueinander und schließlich von der Toleranz der beteiligten Komponenten ab.

Das Hauptziel eines drahtlosen Sendersystems ist die Erzeugung eines starken Feldes, das auch unter Worst-Case-Bedingungen die Übertragung von genügend Leistung garantiert. Dabei müssen aber im Best-Case eine thermische und elektrische Überlastung im Empfänger vermieden werden. Das ist besonders dann wichtig, wenn der Empfänger wenig Energie benötigt, weil beispielsweise die Akkus voll oder fast voll sind und mehr Energie als nötig zur Verfügung steht und wenn Sende- und Empfangsspule dicht beieinander sind. Dadurch können Überspannungen und Hitze entstehen.

Eine einfache aber komplette Senderlösung

Der Sender-IC LTC4125 arbeitet ideal im Zusammenspiel mit dem Batterielade-IC LTC4120.

Der Sender-IC LTC4125 arbeitet ideal im Zusammenspiel mit dem Batterielade-IC LTC4120. Linear Technology Corp.

Linear Technology entwickelte den Sender-IC LTC4125 für das Zusammenspiel mit den verschiedenen Batterielade-ICs des Herstellers, beispielsweise mit dem LTC4120, einem drahtlosen Energieempfänger und Batterielade-IC. Der Sender-Baustein hat alle Merkmale, die eine einfache, leistungsfähige und sichere drahtlose Senderschaltung benötigt. Speziell bietet er die Möglichkeit, die Ausgangsleistung entsprechend den Lastbedingungen am Empfänger zu regeln. Auch kann er die Anwesenheit von fremden leitenden Objekten erkennen. Um sicherzustellen, dass auch unter Worst-Case-Bedingungen genügend Leistung beim Empfänger ankommt, verfügt der Sender-IC über die proprietäre Autoresonant-Technologie.

Die Autoresonant-Technologie des LTC4125 garantiert die Übertragung von ausreichend Energie.

Die Autoresonant-Technologie des LTC4125 garantiert die Übertragung von ausreichend Energie. Linear Technology Corp.

Die Autoresonant-Treiber-Technologie stellt sicher, dass an jedem SW-Pin die Spannung immer mit dem Strom in diesem Pin in Phase ist. Fließt Strom von SW1 zu SW2, sind die Schalter A und C ein, D und B dagegen aus – und umgekehrt im Reversfall. Durch Einrasten der Treiberfrequenz stellt diese Methode Zyklus für Zyklus sicher, dass der LTC4125 das externe LC-Netzwerk immer in seiner Resonanzfrequenz angeregt. Das gilt auch bei Änderungen der Resonanzfrequenz des LC-Tankkreises des Senders durch Temperatureinflüsse oder dessen Impedanzänderung bedingt durch die Empfängerspule.

Mit dieser Technologie gleicht der Sender-IC ständig die Sendefrequenz des integrierten Vollbrückenschalters auf die aktuelle Resonanzfrequenz des Serien-LC-Netzwerks ab. Er ist somit in der Lage, einen Wechselstrom mit großer Amplitude in der Sendespule aufzubauen, ohne eine hohe Eingangsgleichspannung zu benötigen. Auch ist kein präziser Wert für das LC-Netzwerk erforderlich.

Anpassung der Ladeleistung

Der Baustein stellt auch die Impulsbreite der Wellenform über dem Serien-LC-Netzwerk durch Variation des Duty Cycles des Vollbrückenschalters ein. Längere Duty Cycles bewirken im Serien-LC-Netzwerk die Erzeugung eines höheren Stroms, sodass für die Last am Empfänger mehr Energie zur Verfügung steht.

Spannung und Strom in der TX-Spule steigen mit zunehmendem Duty Cycle an.

Spannung und Strom in der TX-Spule steigen mit zunehmendem Duty Cycle an. Linear Technology Corp.

Der LTC4125 führt periodisch einen Sweep des Duty Cycles durch, um den optimalen Arbeitspunkt entsprechend den Lastbedingungen am Empfänger zu finden. Dies ermöglicht den optimalen Betrieb auch bei großem Luftspalt sowie bei Abweichungen der Spulenlage und vermeidet unter allen Bedingungen thermischen und elektrischen Stress auf die Empfängerschaltung. Die Periode zwischen den Sweeps lässt sich mit einem externen Kondensator auf einfache Weise programmieren.

Das eingangs dargestellte System aus Sender und Empfänger ist gegen Abweichungen der Spulenposition tolerant. Bei starken Abweichungen ist der Sender-IC LTC4125 in der Lage, die magnetische Feldstärke so einzustellen, dass der Empfänger-IC LTC4120 den gesamten Ladestrom sicher erhält. Mit diesem System kann man bis zu maximal 2 W über eine Entfernung von 1,2 cm übertragen.

Erkennung fremder leitender Objekte

Ein wesentliches Merkmal jedes brauchbaren drahtlosen Energiesenders ist die Erkennung der Anwesenheit von fremden leitenden Objekten im magnetischen Feld der Sendespule. Ein Sender, der mehr als einige hundert Milliwatt zum Empfänger überträgt, muss fremde leitende Objekte erkennen, um Wirbelströme in diesen Objekten und somit unerwünschte Erwärmung zu vermeiden.

Die Autoresonant-Architektur des Sender-ICs bietet eine einzigartige Methode zur Erkennung der Anwesenheit von fremden leitenden Objekten, da ein solches Objekt die effektive Induktanz des Serien-LC-Netzwerks reduziert. Das zwingt den Autoresonant-Treiber, die Frequenz der Vollbrücke zu erhöhen.

Die LC-Tankkreisspannung sinkt deutlich bei Anwesenheit eines fremden leitenden Objektes.

Die LC-Tankkreisspannung sinkt deutlich bei Anwesenheit eines fremden leitenden Objektes. Linear Technology Corp.

Durch die Programmierung einer Frequenzgrenze mittels eines Widerstandsteilers reduziert der LTC4125 die Treiber-Impulsbreite in der Zeit, in der der Autoresonant-Treiber diese Frequenzgrenze überschreitet, auf Null. Er stoppt dann jede Energieübertragung bei Erkennung der Anwesenheit von fremden leitenden Objekten.

Durch Nutzung der Frequenzshift-Methode zur Erkennung der Anwesenheit von fremden leitenden Objekten kann die Erkennungsempfindlichkeit Toleranzen des Resonanzkondensators (C) und der Induktanz der Sendespule (L) direkt ausgleichen. Bei einer typischen Ausgangstoleranz von 5 % von L und C, kann man die Frequenzbegrenzung um 10 % höher programmieren, ausgehend von dem typischen LC-Wert, den man entsprechend einer brauchbaren Objekterkennung und einer robusten Sendeleistung erwartet. Es lassen sich jedoch auch engere Bauteiletoleranzen von 1 % verwenden, um dann die Frequenzgrenze für eine brauchbare Objekterkennung unter Beibehaltung eines robusten Designs auf nur 3 % größer zu erhöhen.

Flexibilität und Leistung

Durch eine einfache Änderung der Widerstands- und Kondensatorwerte lässt sich die gezeigte Applikationsschaltung zusammen mit anderen Empfänger-ICs wie dem LT3652HV verwenden, um beispielsweise eine höhere Ladeenergie zu übertragen.

Durch Änderung von Widerstands- und Kondensatorwerten lässt sich höhere Ladeenergie auch auf andere Empfänger-ICs übertragen.

Durch Änderung von Widerstands- und Kondensatorwerten lässt sich höhere Ladeenergie auch auf andere Empfänger-ICs übertragen. Linear Technology Corp.

Die hohe Effizienz des Vollbrückentreibers in der Sendeschaltung und die ebenso hohe Effizienz der Bucktreibertopologie in der Empfängerschaltung ermöglicht eine Gesamtsystemeffizienz von bis zu 70 %. Sie berechnet sich aus der DC-Eingangsleistung der Senderschaltung und der Ausgangsleistung des Empfängers zur Batterie. Dabei ist zu beachten, dass die Güte der Spulen und deren Kopplung genauso wichtig für die Gesamteffizienz des Systems sind wie der Rest der Schaltung.

Alle diese Merkmale des LTC4125 kommen ohne direkte Kommunikation zwischen Sende- und Empfangsspule aus. Dies ermöglicht ein einfaches Schaltungsdesign und deckt eine Leistungsübertragung bis 5 W sowie die verschiedensten Spulenanordnungen ab. Auch durch die geringen Gesamtabmessungen einer typischen Applikationsschaltung sind äußerst vielfältige Anwendungsbereiche möglich.

Das Board einer typischen drahtlosen Ladestation mir dem Sender-IC LTC4125 benötigt nur wenig Platz.

Das Board einer typischen drahtlosen Ladestation mir dem Sender-IC LTC4125 benötigt nur wenig Platz. Linear Technology Corp.

Der LTC4125 ist ein leistungsfähiger neuer IC, der alle notwendigen Merkmale für einen sicheren, einfachen und hocheffizienten Leistungssender vereint. Die Autoresonant-Technologie, die optimale Arbeitspunkteinstellung und die Erkennung der Anwesenheit von fremden leitenden Objekten mittels Frequenzshift vereinfachen das Design eines leistungsfähigen Leistungssenders mit sehr guter Luftspalt- und Lageabweichungstoleranz der Spulen.