Lösung mit Power-Application-Controllern

Die technischen Konzepte, auf denen das drahtlose Laden beruht, sind ziemlich alt und gehen auf Tesla zurück, der das Prinzip vor hundert Jahren demonstrierte. Der Markt für Produkte zum drahtlosen Laden ist aber erst in den vergangenen Jahren angesprungen. Mit der Festlegung von Standards durch das Wireless Power Consortium (WPC), die Power Matters Alliance (PMA) und die Alliance for Wireless Power (A4WP) wurde das induktive und resonante Laden in einigen Produkten in letzter Zeit weitgehend adaptiert. Das Wachstum kam hauptsächlich von den Handys und Smartphones, die drahtlos geladen werden. Jedoch nimmt die Zahl der Produkte, die so geladen werden, laufend zu, zum Beispiel durch Wearables, durch Sport- sowie medizinische Geräte und das mobile Laden in Automotive-Applikationen. Für 2013 werden 3,5 Milliarden Konsumerprodukte mit aufladbaren Batterien vorausgesagt. 2017 werden es dann 4,5 Milliarden sein, davon 900 Millionen für die drahtlose Ladung in 2018 (Quelle: IHS Technology). Diese hohe Akzeptanz verlangt nach skalierbaren und konfigurierbaren ICs und entsprechender Hardware für eine bessere, schnellere und preiswertere Implementation in diese Produkte.

Bild 1a: Skalierbare, drahtlose und leistungsfähige Ladelösung mit geringstem Platzbedarf und zu geringsten Kosten.Ineltek

Segmente der drahtlosen Ladung

Aus der Perspektive des Endprodukteherstellers oder der OEM/ODM können drahtlos geladene Produkte und die dazugehörige Hardwarelösung nach verschiedenen Kriterien segmentiert werden, abhängig von der Endapplikation und den Systemanforderungen wie im Dreiachsenmodell beschrieben (Bild 1). Diese sind:

• Leistungspegel: Low Power (<5 W), Medium Power (<15 bis 30 W) und High Power (bis zu einigen 10 kW): Das Laden von Smartphones ist im Low-Power (<5 W) -Segment dominierend, viele Firmen investieren aktiv in den Medium-Power-Bereich für Tablets, Laptops und in andere Segmente wie Industrie und Medizin. High-Power-Produkte schließen Induktionserwärmung / Kochen und automotives drahtloses Laden (HEV) ein.
• Ladearten: Induktives versus Resonanzladen wie durch die Standards nach WPC (Qi-Standard), PMA und A4WP (Rezence) unterstützt, führen zu wesentlichen Produktdifferenzierungen; eingeschlossen sind dabei auch Ladeabstand, Komfort und hohe Leistungseffizienz. Einige Hersteller wollen durch konfigurierbare Hardware mehrere Arten unterstützen. Andere liefern Produkte, die unterschiedliche Spulenkonfigurationen in unterschiedlichen Standards unterstützen. Außerdem gibt es Produkte, die an unterschiedlichen AC/DC-Eingangsspannungen arbeiten.
• Produktrealisierung: (Feste Funktion versus konfigurierbare Hardware) Hardware mit fester Funktion lässt keine Kundenlösungen zu, kann aber geringsten Platzbedarf bieten und kurzfristige Kosteneinsparungen. Konfigurierbare Hardwarelösungen dagegen bieten Produktdifferenzierung (zum Beispiel easy-to-use konfigurierbar durch Steckbrücken und/oder Firmware-Programmierbarkeit) versetzen Hersteller so in die Lage, eine Plattform für mehrere kundenspezifische Ladelösungen zu verwenden. Das reduziert die Gesamtentwicklungskosten und die Time-to-Market über eine ganze Produktpalette.

Bild 1: Dreiachsen Model für eine skalierbare und konfigurierbare Lösung zum drahtlosen Laden.Ineltek

Überblick über die Familie der Power Application Controller

Die Familie der Power Application Controller (PAC) von Active-Semi bietet eine skalierbare und voll konfigurierbare Ein-Chip-Lösung für drahtloses Laden. Sie integrieren alle analogen Front-end- und konfigurierbaren Powermanagement-Funktionen sowie leistungsfähige High-Side / Low-Side-Gatetreiber zusammen mit einem ARM Cortex Core. Zusätzlich sind sie in Versionen für 52 und 600 V erhältlich und erfüllen so unterschiedliche Spannungs- und Leistungsanforderungen. Bild 2 zeigt das Blockdiagram der PAC-IC-Familie.

Bild 2: Blockdiagramm der Power-Application- Controller (PAC) -ICs.Ineltek

Das 5 V WPC A11 Wireless Power Transmitter Evaluation Kit (EVK) bietet die industrieweit kleinste und einfachste Lösung für WPC-Qi-v1.1.2-zertifizierte Wireless-Power-Transmitter-Lösungen, basierend auf dem PAC5220WP-IC. Das Blockdiagramm der Lösung zeigt Bild 3. Da der WPC-Standard angewendet wird, unterstützt Active-Semis Lösung auch die gesteuerte Positionierung der Spulen durch Zweifarben-LEDs und akustische Rückmeldung. Die Hardware-Plattform bietet auch Skalierbarkeit zu höheren Leistungspegeln, unterstützt verschiedene Standards und durch die µC-Programmierung kundenspezifische Anpassungen.

Bild 3: Blockdiagram der auf dem PAC5220WP-IC basierten WPC-A11- Qi-zertifizierten drahtlosen Senderlösung.Ineltek

Betriebsabwicklung beim drahtlosen Laden

Das im Produkt für drahtloses Laden enthaltene Protokoll wird von dem Standard bestimmt, auf dem das entsprechende Gerät arbeitet (WPC, PMA, A4WP oder kundenspezifisch). Zum Beispiel muss WPC A11 folgende Unterstützung bieten bezüglich der zu übertragenden Leistung, der Sicherheit und der einfachen Bedienung, diese sind:

• Kommunikation & Steuerung,
• Leistungstransfer,
• Erkennen ungültiger und fremder Objekte,
• Messen von Strom, Spannung und Temperatur sowie Abschalten bei Fehlern,
• und optionell geführte Positionierung.

Im Folgenden werden die weiteren Funktionen der PAC5220WP-Hardware / Software-Lösung beschrieben und wie sie die WPC-A11-Sendefunktionen ausführt. Bild 4 zeigt Kommunikation, Steuerung und die Leistungsübertragungsfunktion.

Bild 4 : Vereinfachtes Flussdiagramm für Kommunikation, Steuerung und die Leistungsübertragungsfunktion.Ineltek

Low Power Standby: In diesen Mode geht der PAC5220WP, wenn kein Empfänger in Reichweite ist. Er benötigt dann weniger als 50 mW für das gesamte EVK.

Kommunikation & Steuerung: Erkennt die Anwesenheit eines Empfängers an der Sendespule und verwendet die vom A11-Wireless-Power-Empfänger gesendeten Informationen nach Demodulation zur Lastmodulation an der Sendespule. Diese wird noch verbessert durch digitalen Ping, ID und Phasenkonfiguration zur Leistungsübertragung.

Leistungsübertragung: Ist der Empfänger identifiziert und „Power Transfer Contract“, wie im WPC-Standard festgelegt ist, durch die PAC5220WP-Firmware aktiviert, wird Leistung von einer H-Brücke zur Sendespule gesendet. Der Leistungstransfer wird per WPC-Spezifikation geregelt, er basiert auf der periodischen Kommunikation, die vom drahtlosen Power-Empfänger geliefert wird.

Erkennen ungültiger und fremder Objekte: Durch die Überwachung der Eingangs- und Ausgangsleistung kann der PAC5220WP ungültige und fremde Objekte erkennen, die bei der Sendespule platziert sind. PAC5220WP implementiert den WPC-Foreign-Object-Detection (FOD) -Support, um Empfänger vor Überhitzung durch Objekte im Übertragungspfad zwischen Sender und Empfänger zu schützen. Der PAC5220WP implementiert auch die WPC Foreign Object Detection (FOD) entsprechend der Low-Power-Spezifikation, Version 1.1. Der PAC5220WP bietet vier Ebenen der Objekterkennung unter Verwendung von Temperatur, Strom, Spannung und einer Unterbrechung der Kommunikation, um zu unterscheiden, ob ein fremdes Objekt an oder nahe der Sendespule ist. Ist ein fremdes Objekt erkannt, leuchtet die rote LED des EVK. Das System wartet dann bis der Empfänger von der Sendespule getrennt wird, und nach einer Verzögerung von 30 Sekunden erhält die Statusmaschine einen Reset. In dieser Zeit schaltet die Statusmaschine in die Selektionsphase.

Strom, Spannungs- und Temperaturerfassung sowie Schutz

Der PAC5220WP erkennt Spulenstrom, Eingangsspannung und -Strom sowie die Temperatur nahe der Sendespule (mittels NTC-Thermistor) verwendet dabei die differenziellen PGAs und ADCs des PAC5220WP für die Erfassung von Unterspannung und Übertemperatur und meldet den Fehlerzustand entsprechend den WPC-Spezifikationen.

i) Thermischer Schutz: Der PAC5220WP EVK prüft periodisch die Spulentemperatur mit einem NTC-Thermistor. Ist diese >45 °C, wird der Leistungstransfer gestoppt, und die grüne sowie die rote LED leuchten. Fällt die Temperatur nach fünf Minuten unter 40 °C, wird der Betrieb fortgesetzt.

ii) Überstromschutz: Der PAC5220WP EVK verfügt für diese Applikation über Überstromschutz. Überstrom führt zu Hardware-Fehlern und muss vermieden werden. Bei Spulenströmen über 10 A wird die Übertragung gestoppt und die rote LED leuchtet. Das System geht erst nach einem Reset des EVK wieder in den Betrieb.

iii) Überspannungsschutz: Der PAC5220WP EVK verfügt für diese Applikation über Überspannungsschutz. Ist V_in > 6,5 V, wird das Laden gestoppt und erst wieder gestartet wenn V_in unter 6,5 V ist. Das erfolgt sofort nachdem die Spannung wieder unter 6,5 V ist.

Gesteuerte Platzierung: Diese bietet visuelle und akustische Meldung durch eine Zweifarben-LED sowie einen piezoelektrischen Buzzer und zeigt die korrekte Platzierung der Position zwischen Sende- und Empfangsspule, die fortlaufende Ladung, aber auch einen abgekoppelten Empfänger und andere Fehler, mit dem Effekt, dass die Ladung abgebrochen wird.

Leistungsbegrenzung: Bei Low-Power-Ladung geht der PAC5220WP in den Low-Power-Mode, um den Empfänger in leistungseingeschränkter Umgebung sicher zu laden. Dieser Mode wird mittels LED angezeigt.

PAC-basiertes Laden im Kontext zum Dreiachsenmodell

Im Folgenden hier die Merkmale des PAC5220WP der PAC-IC- Familie im Kontext mit dem Dreiachsenmodel in Bild 1.

Skalierbare Leistung: PAC5220WP integriert 1A / 1A-High-Side- und Low-Side-Gatetreiber für die Ansteuerung externer FETS, die die Leistung für die Primärspule (Sendespule) erzeugen. Dabei können die externen FETs entsprechend der übertragenen Leistung skaliert werden von Low-Power (5 W) über Medium- und High-Power bis zu einigen kW. Das integrierte konfigurierbare Powermanagement, das Analog-Frontend mit Verstärker, die Komparatoren, PWM Timer und der ARM Cortex Core bieten dabei den geringsten Platzbedarf für eine drahtlose Ladelösung.

Ladebetriebsarten: Die durch den µC und das Software-Entwicklungs-Kit gegebene Konfigurierbarkeit ermöglicht die Implementation von WPC, PMA und jeder Kundenfirmware. Zusätzlich gestatten die integrierten drei High-Side- und drei Low-Side-Gatetreiber die Ansteuerung von Mehrfachspulensystemen wie bei WPC A6. Außerdem ist der patentierte konfigurierbare Powermanagement-Block in der Lage, AC- und DC-versorgte Systeme zu unterstützen wie in Bild 5 gezeigt.

Bild 5: Unterstützung von AC- und DC- Eingang für drahtloses Laden.Ineltek

Kundenspezifische Lösungen: Bei einem Design nach WPC Qi-certified A11 sind kundenspezifische Adaptionen möglich. So zum Beispiel die LED-Konfiguration, die für die maximale Effizienz kritische Totzeitsteuerung, der FOD-Bereich und so weiter diese sind über die Auswahl von Widerstandswerten auf dem Board variierbar. Zusätzlich sind weitere kundenspezifische Anpassung durch programmierbaren µC und SDK möglich.

(ah)