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.

Kabelloses Laden

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

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.

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