Auf einen Blick
Es gibt Industrie- und Medizinprodukte, in denen die drahtlose Ladetechnik über 1 cm ein „must have“ in der Entwicklung ist. Bis heute gab es für den Entwickler einige Grenzen, die eine Realisierung und deren Erfolg verhinderten. Mit dem LTC4120 von Linear Technology ändert sich das. Dieser IC, der als Empfänger bis zu 1,2 cm für Ladezwecke überbrücken kann, ist eine einfache und effiziente Lösung. Er ist die Lösung, die drahtloses Laden vereinfacht – und die die Stecker aus den Geräten verbannt.
Wenn die drahtlose Leistungsübertragung eine gute Lösung ist, wie lässt sich das also realisieren? Die Lösung heißt: Leistung drahtlos durch die Aussendung elektrischer Energie von einer Quelle zu einer Last zu übertragen. Das klingt sehr einfach, ist aber eine große Herausforderung bei der Umsetzung. Deshalb im Folgenden eine ausführliche Erklärung der Technik.
Dass elektrischer Strom durch einen Leiter elektrische Energie transportiert, gehört zum Basiswissen. Dieser Stromfluss erzeugt ein Magnetfeld um den Leiter herum. In einer Schaltung mit Wechselstrom entsteht so ein mit der Zeit sich veränderndes Magnetfeld um den Leiter herum. Platziert man einen Leiter in dieses Feld, wird in ihm ein Strom induziert.
Bild 1: Drahtlose Leistungsübertragung durch lose Kopplung von einer primären Sendespule (Tx) zu einer sekundären Empfangsspule (Rx) des LTC4120.Linear Technology
Die magnetische Feldstärke ist proportional zum Stromfluss im Leiter. In einem lose gekoppelten System mit geringem Koppelkoeffizient folgt der HF-Strom dem Leiter nur auf einer kurzen Strecke. Wegen der Fehlanpassung verliert der HF-Strom entlang dem Leiter Energie, bedingt durch rücklaufende Wellen oder durch Abstrahlung in den Freiraum. Bild 1 demonstriert die lose Kopplung des Magnetfelds von der Sendespule auf die Empfangsspule, an die das Energieempfänger-IC LTC4120 angeschlossen ist.
Batterieladung mit drahtloser Energie
Zu den Schlüsselparametern eines solchen Systems zählt die benötigte Ladeenergie. Die empfangene Energie hängt von vielen Faktoren ab: von der Sendeenergie, dem Abstand und der Anordnung von Sende- und Empfangsspule zueinander und schließlich von der Toleranz der beteiligten Komponenten.
Es gilt, immer die maximale Energie zu übertragen – auch unter Worst-case-Bedingungen. Dabei müssen aber im Best-case thermischer und elektrischer Stress im Empfänger vermieden werden. Das ist besonders wichtig, wenn wenig Energie erforderlich ist, etwa weil die Akkus voll oder fast voll sind. Dann steht mehr Energie zur Verfügung als benötigt, was zu Überspannungen und Hitze führen kann.
Es gibt verschiedene Wege, mit dieser überschüssigen Energie klar zu kommen. Die gleichgerichtete Spannung am Empfänger lässt sich zum Beispiel mittels Z-Diode oder Transorb begrenzen. Diese Lösung braucht aber Platz und erzeugt zusätzliche Wärme. Falls keine Rückmeldung vom Empfänger vorgesehen ist, kann die Sendeleistung reduziert werden, was aber generell die verfügbare Übertragungsleistung oder den Übertragungsabstand limitiert. Es ist allerdings möglich, die übertragene Energie dem Sender zu melden, der dann in Echtzeit die entsprechende Energie liefert. Diese Technik kommt in Standards wie dem Wireless Power Consortium Qi zum Einsatz. Man kann aber das Problem aber auch ohne die komplizierte digitale Übertragungstechnik dieser Standards einfach und effizient lösen.
Zu beachten ist auch, dass Techniken, die über kleine Variationen im Sendepegel kommunizieren, einen gewissen minimalen Leistungspegel erfordern. Sie lassen sich deshalb nicht in Systemen mit variabler Sendedistanz einsetzen.
IC für drahtloses Laden
Bild 2: Komplette Applikation des LTC4120 in einer drahtlosen Batterieladeschaltung.Linear Technology
Zum effizienten Managen der Energieübertragung unter allen Bedingungen integriert der drahtlose Energieempfänger LTC4120 eine patentierte Technologie von Powerby Proxi, einem Partner von Linear Technology (Bild 2). Die patentierte DHC-Technik (Dynamic Harmonization Control) von Powerby Proxi ermöglicht hocheffizientes kontaktloses Laden ohne thermischen oder elektrischen Stress im Empfänger. Damit lassen sich bis zu maximal 2 W über eine Entfernung von 1,2 cm übertragen. Diese Maximalleistung von 2 W begrenzt bei zwei in Serie geschalteten Li-Ionen-Batterien mit einer maximalen Ladespannung von 8,4 V den Ladestrom auf rund 240 mA. Bei einer Einzellen-Li-Ionen-Batterie betragen die maximale Ladespannung 4,2 V und der maximale Ladestrom 400 mA, das ergibt für die übertragene Leistung einen Wert von rund 1,7 W.
Leistung, Effizienz, Abstand und Größe bestimmen die Systemleistung. Ein auf dem LTC4120 basierendes Drahtlossystem ist dafür ausgelegt, bis zu 2 W an eine Batterie über eine Distanz von 1,2 cm zu übertragen. Dazu kommt eine der unterschiedlichen zur Verfügung stehenden Senderoptionen. Die Effizienzberechnungen variieren dabei stark entsprechend den eingesetzten Sendertechniken und Komponenten. Typischerweise empfängt die Batterie 45 bis 55 Prozent der DC-Eingangsleistung, die der Sender eines LTC4120-basierenden Systems aufnimmt.
Die Tuning-Technologie des DHC im LTC4120 bietet signifikante Vorteile gegenüber anderen drahtlosen oder leitungsgebundenen Powerlösungen. Entsprechend den Veränderungen bei Abstand und Last variiert das DHC dynamisch die Resonanzfrequenz eines resonanten Tankkreises im Empfänger. Das ermöglicht eine höhere Übertragungseffizienz bei gleichzeitg kleinerem Empfänger und größerem Übertragungsabstand. Anders als andere drahtlose Übertragungssysteme nutzt DHC dabei das Magnetfeld für das Powermanagement und benötigt so keinen separaten Kommunikationskanal, um den Empfänger zu validieren oder Lastvariationen während der Batterieladung zu managen.
DHC-Technik löst also das fundamentale Problem aller drahtlosen Übertragungssysteme: auch bei maximaler Übertragungsentfernung noch ein bestimmtes Maß an Energie zu liefern und andererseits keinen Schaden zu nehmen, wenn bei minimaler Übertragungsdistanz keine Last vorliegt. Konventionelle Systeme lösen dieses Problem mit komplizierten und teuren digitalen Kommunikationssystemen, die zudem die Übertragungsdistanz verkürzen. Ein auf dem LTC4120 basierendes System dagegen löst das Problem elegant mit der beschriebenen DHC-Technologie.
Zusammenarbeit von Linear und Powerby Proxi
Powerby Proxi arbeitet seit 2007 an drahtlosen Übertragungssystemen für die Industrie und bringt die Technologie zusammen mit Linear Technology in den Markt. Durch diese Kooperation hat sich die Firma zu einem weltweiten Marktführer für diese drahtlose Übertragungstechnik entwickelt.
Einer der Hauptgründe für die Partnerschaft mit Linear Technology war das umfassende IP-Portfolio und Design-Know-how, was sicherstellt, dass die Technologie weiterhin voll durch IP abgedeckt ist. Mit mehr als 30 Patenten und weiteren in der Zulassung gehört Powerby Proxi zu den führenden Innovatoren in Sachen drahtlose Energieübertragung.
Tony Armstrong
(jj)
