Kabelloses Laden

Bild 1: Die Entwicklung unterschiedlichster Anwendungen für das kabellose Laden wird von Referenzdesigns sowohl für induktive als auch für resonante Lösungen unterstützt. (Bild: Infineon)

| von Ralf Ködel, Verena Lackner

ECK-DATEN

Entwickler von Produkten für kabelloses Laden (Wireless Charging) stehen vor verschiedenen Herausforderungen. Neben dem Magnetismus müssen sie die Punkte Effizienz, Gehäuse und elektromagnetische Interferenzen (EMI) behandeln. Mit optimierten Komponenten und wenn bestimmte grundlegende Kriterien bedacht werden (beispielsweise die Anordnung von Ladestation und Gerät, Größe der Spulen und das Verhältnis des Abstands der Spulen zu ihrer Größe), kann jedoch ein guter Koppelfaktor erreicht und Energie mit hoher Effizienz übertragen werden. Zusätzlich müssen metallische Fremdobjekte (wie Münzen oder Schlüssel) erkannt werden (FOD, Foreign Object Detection), da sie den Ladevorgang beeinträchtigen könnten.

Der Gesamtmarkt für Wireless Charging wächst mit hoher Dynamik. Marktanalysten rechnen mit einer jährlichen durchschnittlichen Wachstumsrate von über 30 Prozent im Zeitraum von 2016 bis 2023. Währenddessen entwickelt sich die Technologie weiter: von Transmittern, die einzelne Geräte laden, zu Transmittern, die mehrere Geräte gleichzeitig laden können. Dazu wird entweder induktives Laden mit mehreren Spulen oder resonantes Laden eingesetzt.

Der Schlüssel zum Markterfolg ist der Einsatz in Anwendungen über Smartphones hinaus. Beispiele sind Wearables, medizinische Instrumente, Roboter, Drohnen und Kassenterminals. Infineons‘ Portfolio für kabelloses Laden reicht von Ladelösungen mit kleiner Leistung, die sehr kleine Spulen nutzen und mehrere Geräte gleichzeitig laden können, bis zu flexiblen Lösungen für hohe Leistungen, die zu Produkten mit niedriger Leistung wie Smartphones abwärtskompatibel sind.

Induktiv und resonant

Lösungen für kabelloses Laden bestehen typischerweise aus drei wesentlichen Komponenten: Adapter/Ladestation, Sender (Transmitter) und Empfänger (Receiver). Der Adapter ist an das Stromnetz angeschlossen und versorgt den Transmitter normalerweise mit einer Gleichspannung zwischen 5 und 20 V. Der Transmitter enthält einen MOSFET-basierten Umrichter, der den Gleich- in einen Wechselstrom wandelt und das magnetische Wechselfeld erzeugt. Häufig wird dazu eine Halb- oder Vollbrückentopologie genutzt. Um die benötigte Flexibilität und Funktionalität zu bieten, wird der Umrichter von einem Mikrocontroller und zugehörigen MOSFET-Treiberkomponenten gesteuert. Für die magnetische Übertragung gibt es unterschiedliche Arten: induktiv und resonant.

Betrachten wir zuerst den induktiven Fall: Hier gibt es den Standard-Ladetransmitter mit einer einzelnen Spule. Dafür muss das zu ladende Gerät direkt über der Spule der Ladestation platziert werden. Die Methode ist auf das Laden eines einzigen Geräts beschränkt. Mit einem guten Design und einer hochqualitativen Leistungswandler-Elektronik kann die Ladeeffizienz im 100 bis 300-kHz-Band die von kabelgebundenen Laden erreichen. Induktive Ladestationen mit mehreren Spulen bieten mehr horizontalen Spielraum beim Platzieren des Geräts.

Der größte Unterschied zu resonanten Ladestationen besteht darin, dass die 6,78 MHz Frequenz beim magnetischen Resonanzladen einen viel größeren vertikalen Bereich ermöglicht. Mehrere Geräte können von einer einzelnen größeren Spule geladen werden und das breitere Einsatzfeld bedeutet, dass die Ladestation einen größeren Bereich mit optimaler Effizienz hat.

Obwohl eine sehr eng gekoppelte induktive Lösung in einem sehr genau definierten und kontrollierten Szenario mehr Energie liefern kann, ermöglicht der resonante Ansatz, sobald sich die Position ändert, eine effizientere Energieübertragung mit räumlicher Freiheit. Der resonante Ansatz erlaubt auch das Laden von mehreren Gerätetypen. Die Technologie wird durch das Vorhandensein von metallischen Objekten im Ladegebiet nicht beeinflusst.

Standards

Der Markt für Wireless Charging wird von zwei Industrie-Allianzen und -Standards getrieben: Das Wireless Power Consortium (WPC) unterstützt den Qi-Standard, der im Markt etabliert ist. Vom technischen Standpunkt aus gesehen, ist Qi ein induktiver Standard, der eng gekoppeltes Laden unterstützt.

Die Technologieplattform der Air-Fuel Allianz (AirFuel) umfasst resonante und ungekoppelte Technologien. Air-Fuels resonante Technologie ermöglicht ein „Drop and Go“ NFC-basiertes Laden und bietet dem Anwender Vorteile gegenüber induktiven Lösungen. Diese Technologie eignet sich auch für Geräte, die einen hohen Metallanteil haben, kompliziertere Formen (anders als Smartphones) besitzen oder vom gleichzeitigen Laden mehrerer Geräte profitieren. Airfuels ungekoppelte Technologie nutzt den HF-Bereich für die Übertragung der Energie, was das Laden mehrerer Geräte mit größeren Abständen erlaubt.

Kabelloses Laden

Bild 2: Designs für das kabellose Laden bestehen grundsätzlich aus drei Elementen: Adapter/Ladestation, Sender und Empfänger. Infineon

Momentan sind unterschiedliche Topologien für das kabellose Laden verfügbar, die verschiedene Vorteile bieten. Der induktive Ansatz mit einer Spule (Qi-Standard) ist die einfachste und vorherrschende Lösung und besteht aus einer einzelnen Übertragungsspule, die zwischen 100 und 300 kHz betrieben wird. Dieser Ansatz benötigt wie erwähnt eine genaue Positionierung des zu ladenden Geräts relativ zur Übertragungsspule und kann nur ein einzelnes Gerät auf einmal laden. Die Erweiterungen dieses Ansatzes auf mehrere Spulen bringt einige Vorteile. Die Positionierung kann um einiges weniger genau sein und smarte Systeme können erkennen, welche Spule dem zu ladenden Gerät am nächsten ist und den Energiefluss entsprechend steuern.

Beim resonanten Ansatz (beispielsweise Rezence von A4WP) wird eine Frequenz von 6,78 MHz für die Resonanz zwischen Transmitter und Receiver verwendet, um Energie viel effizienter zu übertragen. Mit dem resonanten Ansatz können mehrere Geräte mit einer einzelnen Spule geladen werden. Außerdem erlaubt er einen größeren Abstand (bis zu 50 mm) zwischen Transmitter und Receiver.

 

Auf der nächsten Seite geht es unter anderem um verbesserte EMI sowie Auris und XMC für kabelloses Laden.

Verbesserte EMI und Systemeffizienz

Bisherige Class-D-Vollbrückenarchitekturen (mit einem resonanten LC-Glied in Serie) betreiben die Spule mit einem Rechtecksignal. Dieses Rechtecksignal speist mehrere Harmonische höherer Ordnung mit Leistungen ein, die sehr schwer zu filtern sind. Die Filter, die benötigt werden, um diese EMI zu bewältigen, erzeugen Verluste und können teuer sein. Starke Harmonische höherer Ordnung reduzieren die Effizienz des Gesamtsystems.

Kabelloses Laden

Bild 3: Die Topologien der Transmitter von kabellosen Ladestationen basieren auf zwei vorherrschenden Standards. Infineon

Für Umgebungen mit restriktiven EMI-Bedingungen, wie zum Beispiel in Fahrzeugen, treibt eine neue Infineon-Architektur die Spule mit einer Pseudo-Sinusspannung. Diese Wellenform enthält weniger und schwächere Harmonische höherer Ordnung als bei Class D. Die einfacheren Filter, um diese EMI zu bewältigen, reduzieren die Effizienzverluste und die Gesamtkosten des Transmitters.

Die Standard-FOD-Methode (Foreign Object Detection) nutzt die große Primärspulenwicklung, um Fremdobjekte zu erkennen. Dies reduziert die Empfindlichkeit und den Signal-Rausch-Abstand. Kleinere Objekte sind schwer zu detektieren, da sie nur wenig Einfluss auf das Magnetfeld der viel größeren Primärspule haben. Existierende Transmitterlösungen messen die Parameter, die für die Leistungs-Delta-Berechnung benötigt werden (Spannung und Strom) auf der DC-Seite des Spulentreibers. Das verzerrt die Messung im Vergleich zum tatsächlichen Wert an der Spule und führt zu ungenauen Berechnungen der Transmitterverluste.

Eine verbesserte FOD-Methode benutzt kleinere Sensorelemente, um kleine Fremdobjekte zu erkennen, was die Empfindlichkeit und den Signal-Rausch-Abstand deutlich erhöht. Dieser Ansatz verbessert die Genauigkeit der Messungen des Gütefaktors der Spule, um sicherzustellen, dass auch die kleinsten Fremdobjekte beim Start des Ladens erkannt werden, auch außerhalb des Bereichs der Primärspule.

Aurix und XMC für kabelloses Laden

Kabelloses Laden

Bild 4: Aurix-basierte Lösung für das kabellose Laden im Auto. Ein verbessertes Treiber-Design sorgt für ein besseres EMI-Verhalten. Infineon

Das effiziente und problemlose kabellose Laden für Smartphones, Wearables sowie medizinische und industrielle Geräte wird von den Mikrocontroller-Familien XMX und Aurix (Eigenschreibweise: AURIX) unterstützt. Flexible Chipsets für leistungsfähige Anwendungen sind verfügbar, inklusive Software-IP fürs smarte und sichere Laden. Zusammen mit einem Systemlösungsanbieter bietet Infineon Referenzdesigns sowohl für induktive als auch für resonante Ladelösungen an.

Da die Mikrocontroller nahtlos mit Leistungsprodukten von Infineon zusammenarbeiten, entsteht eine vollständige Ladelösung. Optimierte Spannungsregler, Treiber und Leistungs-MOSFETs ermöglichen eine hocheffiziente Leistungswandlung, während Netzwerk-ICs für eine zuverlässige, den höchsten Automotive-Standards entsprechende Kommunikation sorgen. Durch Software-Updates kann die Komplettlösung auch zukünftige Änderungen einfach unterstützen. Eine erweiterte Leistungsstufen-Architektur verbessert das EMI-Verhalten um 10 bis 15 dB gegenüber bisher auf dem Markt existierenden Lösungen. Ein neu entwickeltes FOD-System bietet eine verbesserte Detektionsgenauigkeit, um kritische Sicherheitsanforderungen zu erfüllen.

Aurix-Mikrocontroller sorgen dafür, dass kabellose Ladesysteme für den Fahrzeuginnenraum die strikten Automotive-Anforderungen auf den Gebieten Safety und Security genauso wie Umweltauflagen und gesetzliche Anforderungen erfüllen. Auf der anderen Seite stellen XMC-Mikrocontroller eine leistungsfähige und kosteneffiziente Plattform dar. Die skalierbare Architektur unterstützt alles von Schnelllade-Smartphones, über 20-W-Roboter bis zu 60-W-Drohnen und darüber hinaus. Zusammen mit entsprechenden Power-Produkten wie MOSFETs und Treiber-ICs wird ein kabelloses Laden bei voller Leistung ohne kompliziertes Wärmemanagement möglich und erreicht dabei oft einen dem kabelbehafteten Laden äquivalenten Ladestrom.

Kabelloses Laden

Bild 5: XMC-Mikrocontroller sind eine leistungsfähige und kosteneffiziente Plattform für das schnelle kabellose Laden von Smartphones, über 20-W-Roboter bis hin zu 60-W-Drohnen und höheren Leistungen. Das Blockdiagramm zeigt eine Applikation für induktives Laden mit 15 W. Infineon

Software

Statt anwendungsspezifischer ICs für die Protokoll- und Leistungsübertragung nutzt Infineon für das kabellose Laden eine modulare, softwarebasierte Architektur. Standards reifen und neue Produkte und Anwendungen werden in den Markt eingeführt. Der hohe Software-Anteil erlaubt die Nutzung einer gemeinsamen Hardware-Architektur über mehrere Referenzdesigns, sodass jedes Referenzdesign flexibel genug ist, um mehrere Anwendungstypen zu unterstützen. Zum Beispiel unterstützt die induktive 15-W-Ladestation Konfigurationen mit einer oder mehreren Spulen und kann mit einer breiten Palette an Stromquellen versorgt werden. Zusätzlich können künftige Änderungen am Standard für kabelloses Laden einfach durch ein Software-Upgrade unterstützt werden. So entsteht ein zukunftsfähiges Produktdesign.

Die Software ist dafür zuständig, alle wesentlichen Funktionen des kabellosen Ladens im System zu steuern. Ein vollständig digitales Demodulations-Schema bietet größere Empfindlichkeit, um die Kommunikation im Fall von schwacher Spulen-Kopplung durch einen Versatz zu dekodieren und stellt auch die Kompatibilität zu alten Receivern sicher. Spezielle Parametermesstechniken sorgen für eine hohe Genauigkeit für optimale Leistungsübertragung und die Erkennung von Fremdobjekten. Die präzise Steuerung von Frequenz, Tastverhältnis und Spannung gewährleistet die korrekte Höhe der gleichgerichteten Spannung am Receiver. Zwei-Wege-Kommunikation ermöglicht auf manchen Systemen smartes Laden mit Zwei-Wege-Authentifikation. Unterhalb der übergeordneten Funktionen geht eine Echtzeit-Einheit jedem Aspekt des Transmitterbetriebs nach, von der Eingangsversorgung, über die Effizienz bis zum Wärmeverhalten und macht die nötigen Anpassungen. Schließlich bietet ein Selbstkalibrierungsschritt während des anfänglichen Hochfahrens des Transmitters ein vorhersehbares Basisleistungsniveau, das sicherstellt, dass jedes Produkt die Anforderungen der Anwendung erfüllt.

 

Thema auf der nächsten Seite sind unter anderem Referenzdesigns.

Referenzdesigns

Infineon bietet komplette Referenzdesigns an, die viele der kabellosen Ladeanwendungen der gegenwärtigen und nächsten Generation unterstützen. Diese Referenzdesigns enthalten das Hardwaredesign, die Materialliste, Beispiele für das Leiterplatten-Layout und die entsprechende Dokumentation. Die Transmitterarchitektur basiert auf Software, die mit Updates aktualisiert werden kann, wenn sich die Standards weiterentwickeln oder wenn neue Produkte in den Markt eingeführt werden. Die flexible Transmitterarchitektur unterstützt kundenspezifische Spulen in Anwendungen mit einzelnen Spulen oder mit mehreren Spulen.

Die XMC-basierte 2,5 W Low-Power-Lösung ist die industrieweit kostengünstigste resonante kabellose Ladestation. Durch die Frequenz von 6,78 MHz können sehr kleine Spulen mit einer Vielzahl von Formfaktoren verwendet werden, ohne Rücksicht auf metallische Objekte in der Nähe nehmen zu müssen. Die Technologie ist ideal, um Wearables, Kopfhörer, smarte Kleidung und andere vernetzte IoT-Anwendungen zu laden.

Eine induktive Lösung für Smartphones/mobile Geräte ermöglicht das Laden mit 15 W und unterstützt existierende Standards, inklusive Schnelllade-Smartphones mit hocheffizientem Laden, ohne besonderes Wärmemanagement. Sie erreicht Ladeströme, die denen beim Laden über Kabel entsprechen und unterstützt benutzerdefinierte Ladeprofile und Industriestandards auf derselben Hardware.

Eine induktive Lösung für den Fahrzeuginnenraum ermöglicht das Laden mit 15 W für alle existierenden Standards, inklusive Schnelllade-Smartphones. Die Lösung erlaubt das Laden von zwei Geräten mit einem einzigen Controller. Der Aurix-Controller unterstützt neben dem Ladevorgang auch Systemanwendungen, CAN und eine externe NFC-Schnittstelle. Eingebaute Sicherheitsfunktionen erfüllen die neuesten Automotive-Anforderungen.

Eine induktive Lösung für das kabellose Laden mit 60 W für unterschiedliche Geräte bietet den industrieweit höchsten Leistungslevel mit den kleinsten Spulen. Sie ermöglicht hoch effizientes Laden bis zu 60 W ohne exotisches Wärmemanagement. Die Lösung ist abwärtskompatibel zu Smartphone-Ladestandards (5 W oder 15 W) und Schnelllade-Geräten. Typische Anwendungen sind Elektrowerkzeuge, Laptops, Roboter, kleine Haushaltsgeräte, Drohnen, medizinische Instrumente und die industrielle Automation.

Spezielle Mikrocontroller für kabelloses Laden

Mit den Aurix-Wireless-Power-Controllern wie dem SAK-TC212S-8F133SC erfüllen kabellose Ladesysteme für den Fahrzeuginnenraum die strengen Automotive Safety- und Security-Anforderungen genauso wie Umweltauflagen und die gesetzlichen Anforderungen, und erreichen trotzdem branchenführende Leistungsfähigkeit und Effizienz. Der Controller arbeitet nahtlos mit Infineons‘ Leistungs- und Schnittstellen-Bauelementen zusammen, um eine Komplettlösung für das Laden von Smartphones und anderen vernetzten Geräten zu bieten. Der Controller unterstützt das Laden mit 15 W und alle existierenden Standards, inklusive Schnelllade-Smartphones. Zukünftige Standards werden einfach mit einem Software-Update unterstützt. Andere wichtige Eigenschaften sind: Spezielle Leistungstreiberstufe mit verbesserten EMI-Eigenschaften von 10 bis 15 dB über existierenden Lösungen; FOD mit genauerer Überwachung des Gütefaktors; Unterstützung von benutzerspezifischen Spulen und von mehreren Spulen; zwei Geräte können mit einem einzigen Controller geladen werden; Laden mit voller Leistung mit 6 bis 19 V Eingangsspannung; eingebaute Sicherheitsfunktionen, die die neuesten Automotive-Anforderungen erfüllen.

Die Wireless-Power-Controller XMC1402-Q040X0200SC und die anderen Mitglieder dieser auf dem ARM Cortex-M0 basierenden MCU-Serie arbeiten mit den entsprechenden Power-Produkten in einer skalierbaren und kosteneffizienten Architektur zusammen, um eine Ladekomplettlösung für alles vom Schnelllade-Smartphone, über 20-W-Roboter bis zu 60-W-Drohnen und darüber hinaus zu bieten. Andere wichtige Eigenschaften sind 15 W volle Leistung ohne besonderes Wärmemanagement, hohe Ladeströme vergleichbar zu Kabellösungen, Unterstützung von benutzerspezifischen Ladeprofilen und Industriestandards auf derselben Hardware, FOD mit genauerer Überwachung des Gütefaktors; Unterstützung von benutzerspezifischen Spulen und von mehreren Spulen.

Ralf Ködel

Marketing Director Microcontroller bei Infineon Technologies

Verena Lackner

Global Application Marketing für Wireless Charging (Consumer/Industrial) bei Infineon Technologies

(jj)

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