Wireless Charging über magnetische Induktion erfordert eine umfangreiche Steuerung und Datenkommunikation sowie mehrere Sicherheitsfunktionen.

Wireless Charging über magnetische Induktion erfordert eine umfangreiche Steuerung und Datenkommunikation sowie mehrere Sicherheitsfunktionen.IDT

Wireless Charging wird die bevorzugte Ladeart mobiler Geräte wie Smartphones, Tablets und neuer Zwischenformate wie Phablets. Da Anwender zunehmend auch untertags ihre Geräte wieder aufladen müssen, um datenintensive Anwendungen wie Internet-Zugriff, HD-Spiele, Video- und Audio-Streaming sowie GPS-Navigation nutzen zu können, wird das einfache Laden ohne Kabel zur Norm.

Drahtloses Laden durch Auflegen des Geräts auf ein Lade-Pad ist einfach und bequem. Bis heute sind solche Neuerungen jedoch nur als Aftermarket-Produkte erhältlich, also als Zubehör nach dem Kauf der eigentlichen Geräte. Noch werden sie also nicht als echte Alternative zu herkömmlichen Netzteilen und Kabeln angesehen. Die bisher angebotenen Systeme sind umständlich und sperrig. Sie verlangen, dass das Mobilgerät in eine Ladehülse (Charging Sleeve) eingefügt wird, bevor es auf dem Lade-Pad platziert werden kann. Hinzu kommt, dass proprietäre Technik zum Einsatz kommt, die Interoperabilität zwischen verschiedenen Herstellern verhindert. Die Verkaufspreise sind mit 80 bis 100 US-Dollar für das Lade-Pad und 30 bis 40 US-Dollar für die Hülse relativ hoch. Der Umsatz und die Marktdurchdringung halten sich daher in Grenzen.

Eckdaten

Wireless Charging für mobile Geräte ist stark im Kommen. Drahtloses Laden über magnetische Induktion erfordert eine umfangreiche Steuerung und Datenkommunikation sowie mehrere Sicherheitsfunktionen, was kosteneffizient nur über einen hohen Integrationsgrad erreichbar ist. Für eine garantierte Interoperabilität zwischen Ladesystemen haben Gremien wie WPC, A4WP und PMA erforderliche Standards festgelegt; der Halbleiterhersteller IDT ist daran aktiv beteiligt. Die Low-Power-Spezifikation Qi definiert unter anderem eine Leistungsübertragung um die 5 W bei Taktfrequenzen im Bereich von 100 bis 200 kHz und Datenraten von etwa 2 kBit/s.

Die Alltagstauglichkeit rückt jedoch näher. Die Analysten von IHS Technology prognostizieren in im Wireless Power Report 2014, dass der Umsatz mit Sende- und Empfangs-ICs für Wireless Power von 216 Mio. US-Dollar im Jahr 2013 auf 8,5 Mrd. US-Dollar im Jahr 2018 ansteigen soll, was einer 40-fachen Zunahme entspräche.

Von Neuheit zu Notwendigkeit

IHS stützt sich bei seiner zuversichtlichen Prognose für den Wireless-Charging-Markt auf verschiedene Faktoren. Führende Branchengrößen haben sich zusammengefunden, um die erforderlichen Standards gemeinsam festzulegen. Dies garantiert Interoperabilität zwischen Ladesystemen und Mobilgeräten verschiedener Hersteller. Dazu zählen neben den Mobilgeräteherstellern auch Software- und Bauteilanbieter sowie die Netzbetreiber.

Unter den Halbleiterherstellern, die aktiv an der Entwicklung von Wireless-Charging-Standards teilnehmen, findet sich Integrated Device Technology (IDT) im Vorstand des Wireless Power Consortium (WPC) und der Alliance for Wireless Power (A4WP). Außerdem besteht eine enge Verbindung zur Power Matters Alliance (PMA). Dies sind die wesentlichen Standardisierungsgremien für Wireless Charging. Anfang 2014 schlossen sich die PMA und die Alliance for Wireless Power (A4WP) zusammen.

Bild 1: Magnetische Induktion überträgt mit höherem Wirkungsgrad bei geringem Abstand zwischen Gerät und Lade-Einrichtung. Magnetische Resonanz ist weniger effektiv, toleriert aber eine Fehlplatzierung auf dem Lade-Pad besser.

Bild 1: Magnetische Induktion überträgt mit höherem Wirkungsgrad bei geringem Abstand zwischen Gerät und Lade-Einrichtung. Magnetische Resonanz ist weniger effektiv, toleriert aber eine Fehlplatzierung auf dem Lade-Pad besser.IDT

Induktion oder Resonanz

Im Wireless-Power-Bereich finden sich zwei technische Ansätze: magnetische Induktion und magnetische Resonanz. Die Aktivitäten des WPC und der PMA konzentrieren sich auf Standards rund um die magnetische Induktion, während die A4WP magnetische Resonanz nutzt. Einige induktive Lösungen befinden sich bereits in der Serienfertigung, während Lösungen auf Basis der Resonanztechnik erst Ende 2014 dazu übergingen. Ein einfacher Vergleich der beiden Ansätze zeigt die Unterschiede auf: magnetische Induktion erfordert eine enge Kopplung und erzielt den höchsten Wirkungsgrad, wenn der Abstand zwischen Gerät und Lade-Einrichtung minimal ist. Magnetische Resonanz ermöglicht eine größere räumliche Freiheit, erreicht allerdings nicht die hohe Wirksamkeit induktiver Lösungen.

Kontaktlose Energieübertragung – konform und interoperabel

Das WPC hat die Low-Power-Spezifikation Qi (chinesisches Wort für Lebensenergie) verabschiedet, mit der die Schnittstelle für die kontaktlose Energieübertragung zwischen einem Leistungssender und einem Leistungsempfänger festgelegt wird. Hinzu kommen Performance-Anforderungen und Testspezifikationen bezüglich der Konformität. Alle Geräte mit Qi-Logo sind garantiert konform zu den WPC-Spezifikationen und somit interoperabel. Genauso sind Geräte mit PMA-Logo konform zu den PMA-Standards. Eine Weiterentwicklung dieser Standards ist die Gründung der IEEE Wireless Power and Charging Systems Working Group (WPCS-WG), die Spezifikationen nach dem Standard IEEE P2100.1 für drahtlose Ladesysteme mit Sender und Empfänger erlassen hat. Der Fokus liegt hier derzeit auf der Nutzung der induktiven Kopplung. Andere Techniken könnten in Zukunft mit berücksichtigt werden.

Bild 2: Prinzip der kontaktlosen Energieübertragung über magnetische Kopplung. Neben der Energie übertragen die Spulen auch die Datenkommunikation.

Bild 2: Prinzip der kontaktlosen Energieübertragung über magnetische Kopplung. Neben der Energie übertragen die Spulen auch die Datenkommunikation.IDT

Eine größere Interoperabilität ist entscheidend, um die Nutzung zu verbessern. Damit kann ein Laden in Fahrzeugen, öffentlichen Bereichen wie Verkehrsknotenpunkten, Cafés oder Sportstätten und im Büro erfolgen. Zuhause können alle Geräte auf einem Lade-Pad geladen werden, Netzteile und Kabel erübrigen sich und weniger Steckdosen sind belegt.

Durch die Einführung zuverlässiger Standards können nun immer mehr Anbieter eine entsprechende Wireless-Charging-Infrastruktur unterstützen. Fahrzeughersteller zeigen Interesse am drahtlosen Laden, um Kabel aus dem Fahrzeuginneren zu verbannen. Bekannte Marken demonstrieren Systeme in Autosalons und auf der CES Consumer Electronics Show in Las Vegas. Einige Projekte nutzen die Technik, um In-Vehicle-Systeme wie Rücksitz-Entertainment und Innenraumbeleuchtung zu versorgen. Generell lassen sich Lade-Pads auch in Tischplatten, andere Möbelstücke oder sogar Tischlampen integrieren.

Kaffeehausketten wollen ebenfalls Wireless Charging anbieten, damit Kunden während des Aufenthalts ihre Geräte aufladen können. Starbucks kündigte im Juni 2015 an, die Ladestationen Duracell Powermat in seinen US-Läden zu installieren. Erste Cafés in der San Francisco Bay Area werden bereits damit ausgestattet. Betreiber von Mobilfunknetzen zeigen ebenfalls großes Interesse für drahtloses Laden. Ein bekannter Betreiber hat Wireless Charging Points an seinem Stand auf dem Mobile World Congress bereitgestellt, um sicherzustellen, dass die Standmitarbeiter ihre Geräte während der Messe stets aufladen können.

Kommende Hürden überwinden

Im Wireless Power Report beschreibt IHS Technology, dass nun die großen Gerätehersteller damit begonnen haben, Leistungsempfänger in ihre Smartphones zu integrieren oder eine Ersatzbatterie-Ladehülse mit Wireless-Charging-Technik als Zubehör anbieten. Das G3-Smartphone von LG enthält nun einen Wireless-Power-Empfänger auf Basis des IDTP9025 von IDT. Die Technik findet damit eine wesentlich höhere Akzeptanz, da keine sperrige Ladehülse erforderlich ist. Nutzer wollen kein zusätzliches Gewicht und keine größeren Geräte mit sich herumtragen, nur um Wireless Charging nutzen zu können. Bezüglich des Lade-Pads könnten Hersteller in Zukunft ein solches beim Kauf des Smartphones (im Paket) mit anbieten und auch an anderen Orten bereitstellen, um ein Laden zu ermöglichen.

Entscheidend für die breite Integration der drahtlosen Ladetechnik im Mobilgeräte-, Fahrzeug- und Möbelbereich sind die Kosten. Die Kombination aus Empfänger und Sender muss für gegenwärtige Aftermarket-Systeme weit unter die 80 bis 100 US-Dollar sinken.

Bild 3: Funktionsblöcke des Wireless-Charging-Systems in Single-Chip-Sender- und -Empfänger-ICs

Bild 3: Funktionsblöcke des Wireless-Charging-Systems in Single-Chip-Sender- und -Empfänger-ICsIDT

Die Komplexität dieser Nachrüstsätze verursacht den hohen Verkaufspreis. Ein Leistungssender mit einer magnetisch gesteuerten Einzelspule des Typs A1, der sich für eine Lade-Pad eignet, umfasst mehr als 90 einzelne Bauteile, darunter neun ICs. Mit diesen Bauteilen erfolgt nicht nur die Energieübertragung vom Sender zum Empfänger, sondern auch die Kommunikation entsprechendder WPC- oder PMA-Spezifikationen. Damit wird der Ladeprozess eingerichtet und gesteuert sowie eine Erkennung fremder Objekte möglich (FOD; Foreign Object Detection). Eine zuverlässige FOD ist entscheidend, um das Benutzervertrauen in drahtloses Laden zu wahren. Bei Berührungen oder metallischen Objekten in der Nähe des Lade-Pads dürfen für Anwender keine Sicherheitsrisiken bestehen. Auch unerwünschte elektromagnetische Störungen (EMI) seitens des Systems müssen minimiert werden.

Ein hoher Integrationsgrad ist entscheidend

Hochintegrierte ICs, die diese Funktionen in einem Baustein enthalten (Bild 3), verringern die Anzahl erforderlicher Komponenten in einem Sender oder Empfänger. Damit sinken die Stückkosten, das Design vereinfacht sich und die Fertigung lässt sich rationalisieren.

In einem WPC-konformen System wandelt ein Halb- oder Vollbrücken-Wechselrichter auf der Senderseite eine Gleichspannung in einen Wechselstrom um, der durch eine Spule fließt. Verschiedene Spulenkonfigurationen sind möglich, weise beispielsEinzelspulen des Typs A1, A5 oder A11 oder eine dreispulige Anordnung des Typs A6. Dieser Wechselstrom induziert eine Wechselspannung in der Empfängerspule. Der Empfänger enthält einen synchronen Vollbrücken-Gleichrichter, der diese Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Diese wird anschließend über einen DC/DC-Schaltregler oder einen LDO-Linearregler (Low-Drop-out) aufbereitet.

Bild 4: Das Einchip-Sende-IC IDTP9038 minimiert die Anzahl der ICs und externen passiven Bauelemente in A5-/A11-Spulenkonfigurationen.

Bild 4: Das Einchip-Sende-IC IDTP9038 minimiert die Anzahl der ICs und externen passiven Bauelemente in A5-/A11-Spulenkonfigurationen.IDT

IDT bietet eine Reihe hochintegrierter Sender- und Empfänger-ICs, die verschiedene Spulenkonfigurationen, Wechselrichter-Architekturen und Eingangsspannungsbereiche auf Senderseite unterstützen, sowie verschiedene Empfänger-Architekturen mit Schalt- oder LDO-Regler und die Option einer integrierten Zustandsmaschine oder MCU.

Dazu zählen der IDTP9030 für die Qi A1/A10 Low-Power-Spezifikation. Er ist der erste Baustein dieser Art von IDT und weltweit der erste, der das Design von Einchip-Wireless-Power-Sendern ermöglichte. Mit dem IDTP9030 oder dem IDPT9038 (zweite Generation, 8 W) für A5-/A11-Spulenkonfigurationen verringert sich die Anzahl externer Bauteile (Bild 4).

Ein integrierter hocheffizienter Vollbrücken-Wechselrichter im IDTP9038 unterstützt eine A5-/A11-WPC-Spulenkonfiguration und wandelt die DC-Eingangsspannung in einen AC-Spulenstrom um. Ein Modulator-/Demodulator-Block erkennt, demoduliert und decodiert WPC-konforme Kommunikationspakete. Eine MCU mit RAM/ROM führt eingehende deodierte Pakete aus und passt den Betriebspunkt an, um die übertragene Leistung für den Empfänger aufzubereiten. Multi-Mode-Betrieb unterstützt die WPC- und PMA-Standards ebenso wie kundenspezifische Protokolle mit dynamischer Erkennung und schaltet zwischen den Protokollen um. Damit steht maximale Flexibilität bei der Wireless-Power-Übertragung zur Verfügung.

Bild 5: Entwicklungsboard für induktive Energieübertragung beim Wireless Charging. Der Transmitter P9038 arbeitet mit 5 V und überträgt bis zu 8 W.

Bild 5: Entwicklungsboard für induktive Energieübertragung beim Wireless Charging. Der Transmitter P9038 arbeitet mit 5 V und überträgt bis zu 8 W.IDT

Der Sender unterstützt auch Multi-Layer FOD von IDT, mit der Anwender garantiert nie unsicheren Zuständen ausgesetzt sind wie etwa erhöhten Temperaturen, wenn sich ein metallisches Objekt auf dem Lade-Pad befindet. Der Multi-Layer-FOD-Ansatz deckt alle Szenarien ab und erkennt diese – auch wenn sich ein metallisches Objekt unterhalb oder oberhalb des Smartphones befinden würde. Mit dem IDTP9030 lässt sich ein Einchip-Sender mit nur 30 Bauteilen entwickeln – und das zu einem Drittel der Kosten herkömmlicher diskreter Lösungen.

Der IDTP9038 ist der erste Qi-konforme Sender, der 5 V Eingangsspannung unterstützt, auf den Funktionen des IDTP9030 aufbaut und erstmals einen Rückkanal für die Kommunikationsfunktion enthält. Der Sender kann somit Daten mit dem Empfänger austauschen und eine sichere Zwei-Wege-Authentifizierung ermöglichen. Ein proprietärer Steuerschaltkreis weist eine EMI auf, die 10 dB unter den CISPR-Anforderungen liegt, was Störungen anderer empfindlicher Elektronikschaltkreise verringert.

Geräte mit integrierter Wireless-Charging-Funktion, die sich für Lade-Pads auf Basis von IDT-Empfängern eignen, sind bereits auf dem Markt. Dazu zählen die neuesten G3-Smartphones von LG, die Wireless Charging im kompakten Formfaktor basierend auf dem WPC-konformen Einchip-Wireless-Power-Empfänger IDTP9025A ermöglichen. Der Baustein eignet sich für Mobiltelefone, Ladehülsen und Tablets.

Bild 6: Als einer der kleinsten Wireless Power Receiver für Wearable Devices überträgt der P9026 von IDT 2 W.

Bild 6: Als einer der kleinsten Wireless Power Receiver für Wearable Devices überträgt der P9026 von IDT 2 W.IDT

Für Anwendungen wie Wearables, die äußerst kleine Formfaktoren erfordern, enthält der IDTP9026 einen Batterieladekreis und einen Wireless-Power-Empfänger im 40-poligen CSP (Chip-Scale Package) mit 2,21 mm x 3,41 mm. Die Größe der Gesamtlösung (inklusive Chip) beträgt weniger als 30 mm2 – verglichen zu 65 mm2 bei anderen Lösungen. Der IDTP9026 ist vollständig kompatibel zum Wireless-Power-Sender IDTP9038.

Fazit

Wireless Charging gewinnt immer mehr an Interesse und wird Teil der Infrastruktur für tragbare Kommunikationstechnik. Analysten und Branchenvereinigungen gehen davon aus, dass in Zukunft immer mehr Verbraucher ihre Mobilgeräte drahtlos zuhause, im Fahrzeug, am Flughafen und anderswo aufladen werden.

Da zuverlässige Industriestandards nun für weit verbreitete Interoperabilität sorgen, sind für das drahtlose Laden hochintegrierte Sender und Empfänger erforderlich, die diesen Standards entsprechen. Damit kann das volle Potenzial dieser neuen und in Zukunft bevorzugten Lademethode immer und überall genutzt werden.

Erklär-Video

IDT Wireless Power erklärt in diesem englischsprachigen Video die Eigenschaften der ICs P9020 sowie P9030 sowie des dazugehörigen Evaluation-Kits: