ICs für drahtloses Laden bieten auf Standards basierende Lösungen für Wearables

Die Drahtlos-Technologie bietet eine bequeme Methode zum Laden von Akkus in Wearables, die aus ästhetischen oder konstruktionsbedingten Gründen über keine Ladeanschlüsse verfügen. In der Vergangenheit war Expertenwissen bezüglich kundenspezifischem HF-Design und elektromagnetischen Induktionstheorien erforderlich, um die Vorteile der drahtlosen Lademethoden zu nutzen. Heute können die Designer dagegen induktives drahtloses Laden in energiesparende Wearables unter Verwendung von verfügbaren Standardbausteinen von Herstellern wie Freescale Semiconductors, TDK, Texas Instruments und Toshiba usw. implementieren.

Die drahtlose Energieübertragung kann bis an den Anfang des 19. Jahrhunderts zurückverfolgt werden, als Michael Faraday beschrieb, wie ein magnetisches Feld eine elektromagnetische Kraft in einen Leiter induzieren kann. Gegen Ende des Jahrhunderts hat Nikola Tesla dann Faradays Induktionsgesetz in die Praxis umgesetzt und in seinem Laboratorium in New York City den Einsatz von resonanter induktiver Kopplung zum drahtlosen Betrieb von elektrischen Lampen vorgeführt. Heute sind die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion bereits in Produkten wie RFID-Tags, kontaktlosen Smartcards und Küchenherden vertreten und dienen als Basis für drahtlose Ladegeräte für elektrische Zahnbürsten, Smartphones und eine immer umfangreicher werdende Gruppe von Wearables, darunter die Apple Watch.

Das drahtlose Laden ist tatsächlich eine attraktive Lösung für Wearables, bei denen ein Ladeanschluss störend, platzraubend oder einfach unansehnlich wäre. Darüber hinaus können die Designer durch den Verzicht auf einen Anschluss für ein Ladekabel die allgemeine Zuverlässigkeit des Produkts durch das Vermeiden einer ständigen Ursache für Verschmutzung und das Eindringen von Wasser steigern. Anstelle eines Ladeanschlusses haben diese Geräte direkt unter der Oberfläche eine Ladespule.

Bei der elektrodynamischen Induktion generiert das Fließen eines elektrischen Stroms durch eine Spule ein magnetisches Feld, das einen Strom in einer zweiten in der Nähe angeordneten Spule induziert. Dabei sind Ausrichtung und Abstand dieser beiden Spulen für das Erreichen eines hohen Wirkungsgrads wesentlich. Bei Verbraucheranwendungen, deren Implementierungen des drahtlosen Ladens eine exakte Positionierung erfordern, werden normalerweise Anleitungen mitgeliefert, mit deren Hilfe die Anwender die mobile Einheit ordnungsgemäß auf der Basiseinheit ausrichten können. Bei den sogenannten frei positionierbaren Drahtlos-Ladegeräten enthält die Basisstation in der Regel mehrere Spulen und es wird über eine Rückmeldung der mobilen Einheit ermittelt, welche Spulen angeregt werden müssen.

Kommunikationskanal

Kommunikation spielt sowohl bei Drahtlos-Ladegeräten mit fester als auch mit freier Position eine zentrale Rolle. Während des Sendevorgangs sendet der Empfänger Datenpakete an den Sender durch Modulation der Last an der Empfängerantenne zurück. Der Sender demoduliert die reflektierte Last wiederum, um die Datenpakete zu rekonstruieren (Abbildung 1).


Abbildung 1: Ein typisches Drahtlos-Ladesystem umfasst eine Basisstation, die Energie sendet, und einen Empfänger, der die Energie mithilfe der Prinzips der elektromagnetischen Kopplung zur Energieübertragung und Kommunikation empfängt. (Mit Genehmigung von Freescale Semiconductor)

Bei beiden Typen von Drahtlos-Ladesystemen wird die vom Sender abgegebene Energie mithilfe von Daten des Empfängers geregelt. Während des Ladevorgangs reagiert die Sendeeinheit auf Fehlerdaten des Senders und erhöht oder senkt die Energie an der Sendespule entsprechend. Bei Systemen mit freier Positionierung wird mithilfe dieses allgemeinen Verfahrens die beste Position der Spule bezüglich der mobilen Einheit bestimmt.

Dieser Kommunikationskanal kann nicht nur für Steuersignale sondern auch für das Zurücksenden von Anwendungsdaten zum Sender verwendet werden. Die Datenbandbreite ist zwar beschränkt, reicht aber häufig für Zwecke wie Geräteidentifikation, Gerätestatus und Übertragung der von der mobilen Einheit erfassten Sensordaten aus.

Die Kombination von Funktionen wie Stromregelung, Steuerung und Kommunikation führt zu komplexen Schaltungen für Spannungsversorgung und Steuerlogik (Abbildung 2). Die Designer werden von den Herstellern durch eine Vielzahl von Lösungen unterstützt, die diese Forderungen unterstützten und sogar übertreffen.


Abbildung 2: Die Komplexität von drahtlosen Ladesystemen kann schnell anwachsen, wenn verschiedene Anforderungen bezüglich Optimierung der Energieübertragung und Kommunikation erfüllt werden sollen. (Mit Genehmigung von Texas Instruments)

Standardlösungen

Das Aufkommen einer immer größeren Anzahl von Standardlösungen für drahtlose Ladesysteme beruht auf der wachsenden Akzeptanz von Industriestandards, die die grundlegenden Anforderungen für Drahtlos-Ladeprotokolle festlegen. Obwohl sie die Zusammenarbeit zwischen Mobilgeräten und Basisstationen verschiedener Hersteller erleichten sollen, beruhen die Standardschnittstellen nichtsdestoweniger auf einer von zwei Technologien für das drahtlose Laden: induktives Laden und Resonanz-Laden.

Für das induktive Laden müssen Sender und Empfänger exakt ausgerichtet werden. Der Wirkungsgrad ist dabei normalerweise höher als beim Resonanz-Laden. Auf der anderen Seite erlaubt das Resonanz-Laden größere Freiheiten bei Ausrichtung und Abstand zwischen Sender und Empfänger. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, mehrere Geräte gleichzeitig zu laden. Die Konsortien für Industriestandards wie Wireless Power Consortium (WPC), Power Matters Alliance (PMA) und Alliance for Wireless Power (A4WP) beginnen gerade, hinsichtlich wechselseitiger Interoperabilität zusammenzuarbeiten.

Zwar wurden diese Standards ursprünglich mit Blick auf größere Verbraucheranwendungen entwickelt, jedoch können sie auch als Grundlage für drahtlose Ladesysteme für Wearables dienen. Obwohl von Standards wie Qi von WPC größere A11-50-mm-Sendespulen eingesetzt werden, kann bereits mit kleineren Spulen mit niedrigem Widerstand eine akzeptable Leistung erzielt werden und große Leistungsverluste können vermieden werden. Die WR303050 von TDK hat beispielsweise einen Gleichstromwiderstand von 0,41 Ω und ist bezüglich Abmessungen und Energieübertragung für viele Wearables geeignet.

Bezüglich der Leistungsregelung beim Drahtlos-Laden bieten Bausteine wie TB6865FG und TB6860WBG ein vollständiges Leistungsspektrum auf der Grundlage des Standards und sind bereits in Geräten verfügbar. In den ICs von Toshiba ist wie in anderen Bausteinen dieser Klasse eine Vielzahl von Fähigkeiten integriert, die die Konstruktion vereinfachen, sodass zum Aufbau eines nach WPC Qi-kompatiblen Drahtlos-Ladesystems nur wenige externe Komponenten erforderlich sind (Abbildung 3).


Abbildung 3: In Bausteinen wie dem Sender TB6865FG und dem Empfänger TB6860WBG von Toshiba ist eine Vielzahl von Funktionen integriert, die den Aufbau eines Drahtlos-Ladesystem nach Industriestandard erleichtern. (Mit Genehmigung von Toshiba)

Der Empfänger TB6860WBG kombiniert Modulations- und Steuerschaltungen mit einem Gleichrichtereingang, einem integrierten Hochleistungs-DC/DC-Wandler, einer konfigurierbaren Schaltung zum Laden von Lithium-Ionen-Akkus und Schutzfunktionen. In der Sendeeinheit TB6865FG sind eine MCU und umfangreiche Logikschaltungen integriert, darunter PWM, Schaltsteuerung, On-Board-Filter und Vortreiber-Schaltungen. Die TB6865FG kann zwei Spulensätze unabhängig voneinander steuern. So können zwei Mobilgeräte gleichzeitig geladen werden.

Die Sender MWCT1000 und MWCT1101 auf Qi-Basis von Freescale Semiconductor sind auf einem 32-Bit-56800EX-Kern aufgebaut. Der Prozessorkern bietet sowohl MCU-Funktionalität als auch digitale Signalverarbeitung und bietet damit eine Vielzahl von Möglichkeiten bei einem Stromverbrauch von weniger als 30 mA im aktiven Modus. Die Standby-Leistung des Geräts beträgt nur 30 mW. Dabei wird ein in der Nähe befindlicher Empfänger immer noch erkannt. Während der Energieübertragung kann der Wirkungsgrad der Freescale-Bausteine 75 Prozent überschreiten. Neben den MWCT1000 und MWCT1101 bietet Freescale die Bausteine MWCT1001A und MWCT1003A für den Einsatz im Automobilbau an.

Texas Instruments bietet mit der Senderserie BQ50xxx und der Empfängerserie BQ51xxx mehrere Bausteine an. Während der BQ51221 sowohl den WPC- als auch den PMA-Standard unterstützt, ist die Mehrzahl der Bausteine der Senderserie von TI für den Einsatz in Qi-kompatiblen Designs bestimmt. Zu den Qi-kompatiblen Bausteinen der Serie von TI gehören 5-W-Empfänger mit geregeltem Ausgang: 5 V (BQ51013A und BQ51013B), 7 V (BQ51010B) und 8 V (BQ51020 und BQ51021). In anderen Bausteinen der Serie, darunter BQ51050B (Ausgang 4,2 V) und BQ51051B (4,35 V) ist ein Lithium-Ionen-Ladegerät integriert, womit die Anforderungen der Energieverwaltung von Wearables erfüllt werden.

Der für Anwendungen mit geringem Energieverbrauch bestimmte BQ51003 ist ein für Wearables geeigneter 2,5-W-Empfänger. Durch Kombination des BQ51003 mit einem linearen Low-Power-Ladegerät wie dem BQ25100 von TI kann ein komplettes Empfangssubsystem für das drahtlose Laden mit Lithium-Ionen-Management implementiert werden. Der BQ25100 aktiviert beim Laden von Lithium-Ionen-Zellen eine exakte Regelung von Schnellladeströmen zwischen 10 mA und 250 mA sowie eine exakte Ladeterminierung bis zu 1 mA für kleine Lithium-Ionen-Akkus mit Spule.

Auf Empfängerseite bieten die Bausteine BQ500211A und BQ500212A von Texas Instruments einen kompletten Satz von Qi-kompatiblen Funktionen, darunter die Möglichkeit, den Wirkungsgrad einer laufenden Energieübertragung ständig zu überwachen und damit Fremdobjekte zu erkennen (FOD (Foreign Object Detection) und PMOD (Parasitic Metal Object Detection). Neben FOD und PMOD unterstützt der BQ500410 freie Positionierung mit einem Drei-Spulen-Sendearray. Der BQ500210 ist mit seinem niedrigen Versorgungsstrom von 8 mA als Low-Power-Sender geeignet.

Zusammenfassung

Für Wearables erfüllt die Technologie des drahtlosen Ladens die Forderungen nach einer kompakten Lösung, die die Platz- und Zuverlässigkeitsprobleme eines Ladekabelanschlusses vermeidet. Bisher war für den Einsatz von drahtlosen Lademethoden Expertenwissen über Elektromagnetismus und HF-Design erforderlich. Heute können die Konstrukteure dank gebrauchsfertiger ICs drahtloses Laden selbst in den kleinsten Wearables einbauen.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktinformationsseiten auf der DigiKey-Website.