Drahtlose Energieübertragung für mehr Komfort bei tragbaren Geräten

Tragbare Geräte stellen zunehmend einen wichtigen Marktbereich innerhalb der Elektronik dar. Eine zentrale Anforderung an diese Geräte lautet dabei Komfort. Damit ist nicht nur die Möglichkeit gemeint, von unterwegs auf Daten zuzugreifen, sondern auch eine Akkuleistung, die den gesamten Tag über reicht – und das jeden Tag.

Wenn ein Anwender ein Gerät über die Nacht zum Aufladen an die Steckdose anschließen muss, ist es recht wahrscheinlich, dass er dies hin und wieder vergisst und beim Aufwachen dann bemerkt, dass das Produkt für den Rest des Tages nicht einsetzbar ist. Drahtloses Laden dagegen stellt eine komfortablere Möglichkeit zum Aufladen elektronischer Geräte dar. Anstatt ein Mini-USB-Kabel oder ein ähnliches Kabel an das Gerät anzuschließen, kann das Gerät einfach auf eine Ladematte gelegt werden, die der Anwender an einem leicht zugänglichen Ort deponieren kann. Ist das drahtlose Ladesystem entsprechend konstruiert, können mehrere Geräte auf derselben Matte geladen werden, wodurch Mehrfach-Anschaffungen reduziert werden. Gleichzeitig wird es für Anwender leichter, das Gerät und das Ladegerät auf Reisen mitzunehmen.

Tragbare Geräte oder sogenannte Wearables sind nicht die einzige Art elektronischer Geräte, für die das drahtlose Laden vorteilhaft sein kann. So findet die Technik bereits breite Anwendung bei elektrischen Zahnbürsten und wird darüber hinaus sogar im größeren Maßstab eingesetzt, um die Batterien in Elektroautos zu laden.

Induktives Laden funktioniert auf der gleichen Grundlage wie ein Transformator. Eine Induktionsspule in der Matte erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld, das von einer Sekundärspule in dem zu ladenden Gerät aufgenommen wird, wo es dann wieder in nutzbaren elektrischen Strom umgewandelt wird. Um hohe Effizienz bieten zu können, ist auch einfaches induktives Laden wie ein herkömmlicher Transformator darauf angewiesen, dass sich die Spulen in unmittelbarer Nähe zueinander befinden. Andernfalls können sich durch Widerstand in der Primärspule erhebliche Verluste ergeben.

Die Effizienz der Energieübertragung über größere Entfernungen hinweg kann jedoch über eine resonante induktive Kopplung verbessert werden. Dies erfolgt mithilfe zweier Spulen, die über die Kombination von Induktivität und Kapazität so aufeinander abgestimmt sind, dass sie bei der gleichen Frequenz schwingen. Dank dieser Resonanz kann eine erhebliche Menge Energie von einer Spule auf die andere übertragen werden, und das über Entfernungen, die ein Vielfaches des Durchmessers der Spule betragen.


Der Q-Faktor des Spulenkreises kann so hoch gewählt werden, dass ein relativ intensives Feld über mehrere Zyklen hinweg aufgebaut wird. Die Energie in diesem schwingenden Signal ist höher als die Energie, die jeweils in die Spule eingespeist wird. Da die Sekundärspule einen Teil dieser Schwingung empfangen und umwandeln kann, ist die bereitgestellte Energiemenge höher als bei einem herkömmlichen Transformator. Die Verwendung von auf Resonanz ausgerichteter Kapazität verhindert Streuinduktivität und Magnetinduktivität im Sender. Damit sind Verluste hauptsächlich auf die Wicklungswiderstände der Spulen beschränkt, die in der Regel 10- bis 100-mal niedriger sind als induktivitätsbedingte Verluste.

Um einen höheren Q-Faktor als bei einem konventionellen Transformator bereitzustellen, verfügen Spulen häufig über eine Magnetkonstruktion, die darüber hinaus auch zu einer Minimierung des Skin-Effekts beiträgt. Dielektrische Verluste werden für gewöhnlich durch die Verwendung von Isolatoren mit geringer Permittivität oder einfach mit Luft verringert.

In der Praxis sind die Spulen nicht immer auf eine genaue Resonanzfrequenz eingestellt. Auch lose gekoppelte Systeme können Energie übertragen, wenn die Sekundärspule eine angemessene Zahl von Feldlinien kreuzt. Mit einer engeren Kopplung durch eine genauere Abstimmung der Spulen aufeinander kann zwar mehr Energie bereitgestellt werden, aber es ist nicht möglich, eng gekoppelte Spulen, die zusammenarbeiten sollen, gleichzeitig in Resonanz zu halten. Die Spulenkreise können so ausgelegt werden, dass sie knapp außerhalb der Resonanz arbeiten, d. h., die Resonanzfrequenz des Empfängers unterscheidet sich leicht von der des Senders.

Leider sind eng gekoppelte Spulen empfindlich gegenüber Fehlausrichtungen, was ein Problem bei Consumer-Anwendungen ist: Schließlich will der Anwender das Gerät einfach auf eine Matte legen, ohne sich um die für das Laden beste Ausrichtung und Position kümmern zu müssen. Deshalb kann der für das Laden verwendete Sender auch über mehrere Spulen verfügen. Das macht die Konstruktion insgesamt zwar komplexer, bietet aber bei der Positionierung größere Freiheit. Die Spulen müssen dabei nicht überlappen, was die Montage bei der Produktion vereinfacht, auch wenn überlappende Spulen für eine größere Dichte sorgen und damit mehr Freiheit bei der Platzierung des Empfängers erlauben.

Für die Lösung des Problems, dass ein einziger Sender verschiedene Geräte laden können soll, werden Standards benötigt. Gegenwärtig gibt es zwei Hauptstandards: Das Powermat-System, hinter der die Alliance for Wireless Power steht, beruht auf einem lose gekoppelten System mit einer einzigen Senderspule. Das Qi-System des Wireless Power Consortium wiederum ermöglicht eine Reihe verschiedener Konfigurationen, darunter sowohl einen losen als auch einen eng gekoppelten Betrieb. Die meisten erhältlichen Sender verfügen über mehrere Spulen mit enger Kopplung.

Die Standards befassen sich auch mit dem Energiemanagement, um sicherzustellen, dass die Ladematte nicht aktiviert ist, wenn nichts zu laden ist. Beispielsweise leitet das Qi-System mithilfe eines Kommunikationsprotokolls Signale über die Spulen weiter, um das Vorhandensein eines Geräts sowie dessen Kompatibilität mit Qi zu prüfen. Mit dem Standard kann der Sender die Schaltfrequenz über die Spule hinweg zwischen 110 kHz und 205 kHz variieren – ein wichtiger Mechanismus zur Steuerung der Energiebereitstellung.

Qi bedient sich einer einfachen Lastmodulation der Spulenspannung, um Daten an das Element auf der anderen Seite des Luftspalts zu senden. Die von der Sekundärspule ausgehende Kommunikation erfolgt über eine differenziell ausgelegte zweiphasige Bitverschlüsselung ausgehend von einer festen Frequenz von 2 kHz, wobei vor jeder 8-Bit-Übertragung ein Start-Bit hinzugefügt wird. Der Übertragung folgen Paritäts- und Stop-Bits.


Es gibt eine Reihe von Kontrollpaketen, die gesendet werden können. Die am häufigsten verwendeten Paketarten sind: Signalstärke, Regelfehler, Aufforderung zur Beendung der Energiebereitstellung und Grad der Gleichrichtung. Das Paket Signalstärke hilft bei der Ausrichtung des Geräts auf der Ladematte, die – wenn ein visuelles oder akustisches Signal verwendet wird – dem Anwender anzeigt, wie er das Gerät auf der Matte so platziert, dass das Signal stark genug ist und eine gute Energieübertragung anzeigt.

Das Paket Regelfehler wiederum zeigt das Fehlerausmaß bei der in der Empfängerspule verzeichneten Eingangsspannung und der von ihr tatsächlich benötigten Spannung. Üblicherweise verwendet der Sender einen Regelkreis, um die an seine Spule gelieferte Spannung anzupassen. Wenn das Ausmaß des Fehlers groß ist, wird die Frequenz der Fehlerpakete höher gesetzt. Es wird dann alle 32 ms ein Paket gesendet, bis sich der Fehler wieder innerhalb eines bestimmten Bereichs bewegt. Ab diesem Punkt werden die Pakete alle 250 ms gesendet. Das Regelfehlerpaket ist nützlich bei der Regelung der Energiebereitstellung. Bei leichten Lasten kann der Empfänger eine höhere Spannung anfordern, um mit Einschaltstrom umgehen zu können – zum Beispiel, wenn das tragbare Geräte aus dem Schlafmodus geholt wird. Bei höheren Lasten hingegen kann das tragbare Gerät eine niedrigere Spannung anfordern, um so Energieverluste über einen LDO-Regler zu verhindern.

Wenn das Gerät vollständig geladen ist oder einen internen Fehler bemerkt, der den Akku beschädigen könnte, sendet es eine Aufforderung zur Beendung der Energiebereitstellung. Die Energielieferung wird auch durch die Nachricht zur Gleichrichtung kontrolliert. Diese übermittelt die Menge an Energie, die das tragbare Gerät am Ausgang seines Gleichrichterkreises erhält. Mithilfe dieser Information bestimmt der Sender die Kopplungseffizienz und ermittelt zudem, ob der Empfänger seine maximale Energiegrenze erreicht. Das Paket wird alle 350 ms bis 1800 ms gesendet. Die Abwesenheit des Pakets nutzt der Sender, um zu bestimmen, ob das Gerät von der Matte genommen wurde. Die Gleichrichtungsnachricht hilft darüber hinaus auch bei der Erkennung von fremden Objekten.

Mittlerweile gibt es Chipsätze, die das Qi-Protokoll unterstützen und die Energiebereitstellung regeln. Ein Beispiel hierfür ist der TB6865AFG von Toshiba für Sender. Dieses hoch integrierte Teil umfasst einen ARM Cortex-M3-Prozessor für benutzerdefinierten Code sowie einen PWM-Controller zur Unterstützung eines externen H-Brückenkreises für die Energielieferung. Der Controller kann für bis zu zwei Geräte die Energiezufuhr regeln und unterstützt zudem gemäß dem Qi-Standard die Erkennung fremder Objekte.

Der bq51013 von Texas Instruments wurde für die Sekundärseite konzipiert und bietet eine Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom sowie eine entsprechende Regelung zusammen mit der digitalen Steuerung, die nötig ist, um Befehle an den Sender zu senden. Die Produkte aus der bq5101x-Reihe verwenden einen Synchrongleichrichter mit geringem Widerstand sowie LDO-, Spannungs- und Stromschleifenregler.

Neben Reglern bieten die Hersteller auch einsatzbereite Spulen an, die das Qi-Protokoll unterstützen und so konzipiert sind, dass sie als Sender, Empfänger oder beides gleichzeitig fungieren können. Die Reihe AWCCA-50N50 von Abracon beispielsweise unterstützt sowohl Sender- als auch Empfängeranwendungen. Die Spule hat einen Durchmesser von knapp 50 mm und verfügt über einen hochdurchlässigen Schirm, um die Elektronik im Gerät zu schützen. Bei den Ausführungen kann zwischen verschiedenen Q-Faktoren gewählt werden: im Bereich 70 oder 160, mit einem DC-Widerstand von jeweils etwa 20 mΩ oder 70 mΩ.

Für kleinere Wearables bietet TDK die Spule WR303050 an, die sich durch eine Gehäusegröße von 30 x 30 mm mit einer Dicke von nur 1 mm auszeichnet. Der DC-Widerstand beträgt 0,41 Ω bei Raumtemperatur.

Der IWAS-3827 von Vishay Dale bietet Empfänger optional mit einem rechteckigen statt quadratischen Profil für mehr Flexibilität bei der Entwicklung. Das Gehäuse misst 8 mm an seiner langen Seite und 27 mm an seiner kurzen Seite und ist 1 mm dick. Die Spule verfügt über einen DC-Widerstand von 0,18 Ω mit einem typischen Q-Faktor von 30.


Für eine höher integrierte Lösung können der TMx-66-2M7 und TMx-58-2M7 von TDK mit einem Empfänger-Chip von TI kombiniert werden, bei einer Gesamtlänge von 66 mm und einer Dicke von nur 1 mm.

Zusätzliche drahtlose Ladeoptionen sind bei Würth Electronics erhältlich. Würth bietet eine Vielzahl drahtloser Ladespulen der WPCC- und WE-WPCC-Serien an. Diese Spulen sind in sowohl in Sender- als auch Empfängerkonfigurationen verfügbar, mit Stromstärken von 0,8 bis 13 A und in verschiedenen Größen, um allen Anwendungserfordernissen gerecht zu werden. Die Konzepte und Vorteile des drahtlosen Ladens können mit dem Demokit für drahtlose Energieübertragung (760308) von Würth/TI untersucht werden, dass Sende- und Empfangsspulen von Würth verwendet.

Während sich das Ökosystem rund um Protokolle wie Qi ständig erweitert, können wir mehr integrierte Lösungen erwarten, die den Job der Entwicklung einer einfacheren Methode zum Laden von tragbaren Geräten erleichtern.