Unabhängig davon, welche Richtung der Consumermarkt einschlägt, ist klar, dass drahtloses Laden im Kommen ist. In den nächsten Jahren wird sich ein Ecosystem rund um den Mobiltelefonmarkt aufbauen, das vor allem durch die Hersteller getrieben ist. Der Computerbereich mit seinem umfangreichen Ecosystem leitet die nächste Phase des Wachstums ein. Von da an wird das drahtlose Laden dann in Infrastrukturen Einzug halten, die Mobilfunk-und Computerlösungen gemeinsam abdecken. Dies wird nur der Anfang dessen sein, wie drahtlose Ladetechniken in zukünftigen Architekturen und Lösungen zum Einsatz kommen.
Zahlreiche Studien über die Akzeptanz und das Marktpotenzial (TAM; Total Available Market) drahtloser Ladetechniken liegen bereits vor. Genaue Marktinformationen bereitzustellen, ist hier eine Herausforderung, da die Akzeptanz und die Wahl der Technologie wichtige Parameter in diesen Prognosen sind. Bei der MI-Technik gibt es zwei vorherrschende Standards: das Wireless Power Consortium (WPC) und die Power Matters Alliance (PMA). Beide Standards sind ziemlich ausgereift, mit bereits vielen Produkten im Consumermarkt. Die Alliance for Wireless Power (A4WP) ist der erste Standard auf MR-Basis. Zu beachten ist, dass Intels Wireless Charging Technology, die auf magnetischer Resonanz basiert, auf den Ultrabook-Markt ausgerichtet ist und ihr eigenes Ecosystem umfasst. Andere Techniken wie Power by Proxy und WiTricity, die bereits in industriellen und militärischen Anwendungen zum Einsatz kommen, sind ebenfalls auf dem Weg in den Consumermarkt. Die verschiedenen Standards und Lösungen werfen die Frage auf, welche Richtung das drahtlose Laden einschlägt und welche Lösungen sich am besten dafür eignen. Dazu werden im Folgenden die Unterschiede zwischen der MI- und MR-Technik näher erläutert. Basierend auf den Ergebnissen und den Applikations-/Systemanforderungen lässt sich dann die richtige Lösung für eine bestimmte Anwendung auswählen.
Auf einen Blick
Integrated Device Technology und Qualcomm arbeiten zusammen, um IDTs Entwicklung eines ICs für Consumerelektronikgeräte auf Basis der Qualcomm WiPower-Technologie voranzutreiben. Der Baustein erfüllt die Anforderungen dieser drahtlosen Ladetechnik auf Basis der Nahfeld-Magnetresonanz. Damit ist räumliche Freiheit beziehungsweise beliebiges Platzieren beim Laden von Mobiltelefonen und anderen batteriebetriebenen Geräten für die Low-Power-Direktaufladung möglich.
Mobile Geräte haben die drahtlose Ladetechnik zuerst im Consumermarkt etabliert. Mit LTE, hoher Kommunikationsgeschwindigkeit und Bandbreite werden sich hier in den nächsten Jahren keine Einschränkungen ergeben. Komfort ist einer der wichtigsten Gründe, warum mobile Consumergeräte zu den ersten Anwendungsbereichen für drahtlose Ladetechniken (Wireless Power) zählen. Geräte wie Smartphones, Tablets, Media-Player und Mobil-TVs erfordern verschiedene Ladeadapter mit unterschiedlichen Schnittstellen-Steckern. Man braucht also viele verschiedene Stecker und Adapter, um den gemeinsamen Zweck des Aufladens zu erfüllen. Ein universeller drahtloser Adapter mit einer leistungsfähigen Infrastruktur und einem Ecosystem kann dieses Problem beseitigen. Steht eine solche Lösung in Autos, Cafés, Restaurants, Zügen, Flugzeugen, Büros und so weiter zur Verfügung, erhöht dies den Komfort.
Lösungen für mobile Geräte
Alle paar Jahre werden mobile Geräte aufgerüstet, um deren äußeres Erscheinungsbild, die Leistungsfähigkeit und Funktion zu verbessern. Dies erfordert Änderungen beim Strombedarf, bei Anschlüssen und Schnittstellen. Darum sind meist auch neue Adapter erforderlich; die veralteten werden verschwenderisch entsorgt. Das Verschwinden verschiedener Adapter und Anschlüsse und der Einsatz von drahtlosen Ladetechniken würden dazu beitragen, die Elektronikschrottmenge zu verringern und die Umweltfreundlichkeit mobiler Geräte zu erhöhen.
Zur technologischen Weiterentwicklung mobiler Geräte zählen auch Displays mit 1080p Auflösung und 3D-Funktion: Die Geräte sind zunehmend mit hochauflösenden Displays ausgestattet, die durch hochleistungsfähige Grafik-Controller mit Multicore-CPUs unterstützt werden, um die erforderliche Leistungsfähigkeit zu bieten. Die Integration von 3D-GPS-Funktionen, HD-Video und Audiotechnik, NFC, TV und Spielen sind weitere Beispiele, wie sich mobile Geräte weiterentwickeln. Die meisten dieser Funktionen verlangen nach mehr Strom aus der Batterie des Geräts.
Die Energiequelle in mobilen Geräten ist meist eine Li+/Polymer-Batterie, deren Energiedichte bereits seit Jahren das Maximum erreicht hat. Technische Verbesserungen und verschiedene Metalle in Li+-Batterien erhöhen zwar die Kapazität und Langlebigkeit, reichen aber nicht aus, um die hohen Energieanforderungen zu erfüllen. Die Batterien müssen auch klein sein, um den Applikationsanforderungen mobiler Geräte gerecht zu werden. Da die Batteriekapazität pro Volumeneinheit ihre Grenze erreicht hat, ist entweder eine höhere Batteriekapazität oder häufigeres Aufladen erforderlich. Größere Batterien würden jedoch Baugröße und Gesamtkosten der immer kleiner werdenden Geräte erhöhen. Zudem erfordern größere Batteriekapazitäten auch ein schnelleres Aufladen, was eine neue chemische Zusammensetzung verlangt, um die Lebensdauer zu erhalten. Häufigeres Aufladen scheint also die bessere Alternative zu sein.
Die MI- und MR-Techniken verwenden beide ein Magnetfeld, um Energie zu übertragen. Bei beiden Techniken wird ein Strom in einen Resonanzkreis induziert, was ein Magnetfeld erzeugt, um Energie zu übertragen. Die magnetische Spezifikation hat großen Einfluss darauf, wie das elektromagnetische Feld geformt ist. Der Magnetfluss kann eingebunden und/oder mit elektromagnetischen Schilden ausgerichtet sein. Auch die Gestaltung des Magnetkerns kann eine Rolle spielen. Flussdichte und Eindämmung verbessern sich mit steigender Permeabilität des elektromagnetischen Schildes. Kosten und Dicke sind entscheidend bei der Auswahl des geeigneten Schildes. Die Ausrichtung der Empfangs- und Sendespulen im Magnetfeld sowie der Abstand zwischen beiden legt fest, wie effizient die Energie übertragen wird. Ein größerer Abstand zwischen Sende- und Empfangsspulen führt zu einer weniger effizienteren Energieübertragung. Die Resonanzfrequenz, das Verhältnis der Sende-zu-Empfangsspulen-Abmessungen, der Kopplungsfaktor, die Spulenimpedanz, der Skineffekt, die AC- und DC-Bauteile und die parasitären Verluste der Spule sind weitere Faktoren, die einen großen Einfluss darauf haben, wie effizient die Energie übertragen wird.
Effiziente Übertragung
Wird die X-, Y- und Z-Ausrichtung und der proportionale Winkel zwischen den Sende- und Empfangsspulen erhöht, beeinflusst dies die Verluste und den Wirkungsgrad.
Die WPC-Spezifikation schreibt vor, wie die Empfängerspulen auf dem Sender positioniert sein müssen, damit eine effiziente Übertragung stattfindet. Dann muss der Nutzer eine Ausrichtung vornehmen, um den Kopplungsfaktor zwischen den beiden Spulen zu maximieren. Bei der MR-Technik sind eine freie Positionierung und die Möglichkeit, einzelne oder mehrere Geräte in das Magnetfeld zu legen, wesentlich nutzerfreundlicher. Nimmt aber der Abstand zwischen den gekoppelten Geräten zu, beeinträchtigt dies den Wirkungsgrad der Energieübertragung. Je nach Anforderung, Kosten und Größenüberlegungen, kann sowohl mit der MI- als auch der MR-Technik eine Lösung mit einer oder mit mehreren Spulen in Betracht kommen.
In WPC- und PMA-basierten MI-Techniken kann Energie über einen großen Frequenzbereich übertragen werden. Die Resonanzfrequenz, bei der die Energieübertragung stattfindet, wird auf Basis der Lastimpedanz ausgewählt. Die Güte Q ist damit im Vergleich zu MR-Lösungen relativ gering. Der optimale Wirkungsgrad wird nur bei ausgewählten Frequenzen und Lastimpedanzen erzielt.
Optimaler Wirkungsgrad
Bei der MR-Technik wird die Energie nur bei einer bestimmten Resonanzfrequenz übertragen. Die Güte Q ist größer und erfordert eine sehr genaue Impedanz-Netzwerkanpassung beim Empfänger und Sender. Sowohl bei der MR- als auch MI-Technik muss die Abweichung der Anpassungsnetzwerk-Parameter genau geregelt werden, da sich dies direkt auf die übertragene Energie auswirkt.
Bei WPC 1.1 ist die Resonanzfrequenz über einen weiten Bereich von 100 bis 205 kHz wählbar; ähnlich wie bei PMA mit dem Frequenzbereich von 277 bis 357 kHz. Die Frequenzbereiche haben sich jedoch kürzlich geändert und hängen nun von der Eingangs-Versorgungsspannung ab. Eine typische Güte Q für diese Lösungen liegt im Bereich 30 bis 50. In A4WP-Lösungen müssen die Resonanzfrequenz und die Impedanz-Netzwerke zwischen Empfänger und Sender angepasst sein, da die Frequenz fest ist. Typische MR-Lösungen erfordern hier höhere Q-Werte (50 bis 100) als MI-Lösungen.
Power-Management-Architekturen
Die Entwicklung hochleistungsfähiger Power-Management-Architekturen hat großen Einfluss auf die Umsetzung erfolgreicher MI- und MR-Lösungen. Um auf der Senderseite einen Strom in den Resonanzkreis zu induzieren, muss eine DC-zu-AC-Wandlung erfolgen. Bei der MI-Technik wird dafür ein Halb- oder Vollbrücken-Wechselrichter verwendet; bei der MR-Technik wird Strom über einen Leistungsverstärker induziert. Die Leistungsverstärker-Architektur und Klassifizierung kann je nach Frequenz, Standby-Strom, Wirkungsgrad, Größe, Kosten und Integrationsanforderungen der Anwendung variieren. Während der Wandlung muss darauf geachtet werden, die Verluste in den Gate-Treibern, beim Schalten, der Durchleitung, dem Biasing, der Body-Dioden und parasitäre Verluste, wie zum Beispiel den äquivalenten Serienwiderstand (ESR) und die äquivalente Serieninduktivität (ESL) externer Bauelemente, zu verringern. Dies sind die wesentlichen Herausforderungen bei der Entwicklung hochleistungsfähiger, integrierter Lösungen.
Je nach Eingangsspannung und Design hat die Prozessauswahl großen Einfluss auf die Optimierung integrierter Lösungen. Es gibt mehrere Regelkreise im System, auf die die Stabilität des gesamten Regelkreises einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Gesamtlösung hat. Sowohl bei der MI- als auch MR-Technik lässt sich eine ähnliche Performance und Effizienz durch effektives Power-Management erzielen.
Um die Energieübertragung erfolgreich durchzuführen, muss der Sender einen korrekt gekoppelten Empfänger erkennen können. In WPC- und PMA-Lösungen gibt der Sender regelmäßig „Pings“ aus, um nach einem Empfänger zu suchen. Wird dieser erkannt, beginnt die Energieübertragung. Diese Lösungen verwenden Festfrequenzmodulation für die Kommunikation. Andere Methoden sind Amplituden-, Leistungs-, Strom- und Pulsweitenmodulation (PWM). Alle diese Optionen lassen sich nutzen, wenn das Anpassungsnetzwerk zwischen Sender und Empfänger größere Frequenzschwankungen tolerieren kann.
Da die Anpassungsnetzwerke in A4WP-MR-Lösungen eng aufeinander abgestimmt sind, kann hier keine Frequenzmodulation verwendet werden. Ist die Last jedoch fest, lässt sich die Amplitudenmodulation anwenden. Leistungs- und Strommodulation wird verwendet, wenn die Empfängerleistung nicht beeinträchtigt wird. Da bei mobilen Anwendungen die Last in Abhängigkeit von den verwendeten Funktionen variiert, wäre es schwierig und auch nicht Größen- beziehungsweise Kosten-effektiv, eine Lösung mit den oben genannten Modulationsverfahren zu entwickeln. A4WP nutzt Bluetooth oder ZigBee als Kommunikationsstandard. Diese Funkübertragungsarten existieren bereits für mobile Lösungen. Von Vorteil für den Sender ist auch, die Energie an mehrere Geräte zu übertragen, indem verschiedene Empfänger erkannt werden. Andere ähnliche Methoden stehen ebenfalls zur Verfügung.
Kommunikation wird auch verwendet, um über den Status der Energieübertragung zu informieren. Zum Beispiel ob sich fremde Objekte im Ladefeld befinden (FOD; Foreign Object Detection) und wie der Kopplungsstatus und die Ausrichtung (AGI; Alignment Guidance Information) ist. Fremde Objekte wie Metall in einem elektromagnetischen Feld können zu Temperaturerhöhungen führen – je nach Leitfähigkeit des Materials. Dieses Problem tritt sowohl bei der MI- als auch bei der MR-Technik auf.
Die genaue Überwachung von Spannung und Strom auf der Sender- und Empfängerseite ist erforderlich, um den Wirkungsgrad magnetischer Induktionstechniken zu maximieren. Andere Funktionen wie die Auswirkungen von Lastreflektionen, Strominduktion und das Timing der Modulation und Demodulation sowie deren Einfluss auf die Regelung sind entscheidend, um die Stabilität des Systems zu erhalten und eine erfolgreiche Kommunikation zu gewährleisten. Zu den weiteren Anforderungen zählt die Einhaltung von Regularien der California Environmental Association (CEA) und Federal Communication Commission (FCC) Teil 15 und 18, was den Gesamtwirkungsgrad des Systems beeinflussen kann.
Die beste Lösung für eine bestimmte Anwendung basiert stets auf den gewünschten Funktionen und der gewünschten Leistungsfähigkeit. Ist eine beliebige Positionierung des Geräts oder das Laden mehrerer Geräte in X-, Y- und Z-Richtung erwünscht, bietet sich die Magnetresonanztechnik an. Ist ein hoher Wirkungsgrad und die Einhaltung von Standards erforderlich, bieten WPC-konforme Lösungen die optimale Wahl. Zweifellos stellt aber eine Multimode-Lösung, die automatisch die magnetisch gekoppelte Induktion oder resonanzbasierte Energieübertragung erkennt, die ideale Lösung bereit.
Integrierte Lösungen
IDT bietet Lösungen für die MI- als auch für die MR-Technik. Die hochintegrierte MI-Lösung erfüllt und übertrifft die WPC-(Qi-) Anforderungen. Beide Lösungen basieren auf fortschrittlichen Prozesstechnologien und vereinen Leistungselektronik mit Intelligenz, um die Funktion zwischen Empfänger und Sender effektiv zu regeln. IDTs IDTP9020, IDTP9030, IDTP9035 und IDTP9036 erfüllen die WPC-Anforderungen. Diese integrierten Lösungen benötigen nur eine minimale Anzahl externer Bauteile, was die Stückliste und den Platzbedarf auf der Leiterplatte niedrig hält.
IDTs MR-Lösungen werden in Zukunft um Empfänger- und Senderlösungen auf Basis von Intels Technologie für das Ultrabook-Ecosystem erweitert. Intel und IDT arbeiten zusammen, um ICs für das drahtlose Laden zu entwickeln. Intel hat IDT ausgewählt, um ein integriertes Sender-/Empfänger-Chipset für seine drahtlose Ladetechnik auf Basis der Resonanztechnik zu entwickeln. Intel und IDT wollen validierte Referenzdesigns bereitstellen, die Ladeeinrichtungen für Ultrabooks, All-in-One (AiO) -PCs, Smartphones als auch unabhängige Ladeeinrichtungen abdecken.
Siamak Bastami
(ah)
