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. Nachdem das Wireless Power Consortium (WPC), die Power Matters Alliance (PMA) und die Alliance for Wireless Power (A4WP) Standards festgelegt haben, wurde das induktive und resonante Laden in einigen Produkten in letzter Zeit weitgehend adaptiert.
Das Wachstum wurde hauptsächlich von Handys und Smartphones getrieben, die drahtlos geladen werden können. Jedoch nimmt die Zahl der Produkte, die man so laden kann, laufend zu: zum Beispiel durch Wearables, Sport- oder medizinische Geräte und das mobile Laden in Kfz-Applikationen. Für 2013 sagen Experten von IHS Technology 3,5 Milliarden Consumerprodukte mit aufladbaren Batterien voraus. 2017 sollen es dann
4,5 Milliarden sein, davon 900 Millionen für drahtlose Ladung im Jahr 2018. Diese hohe Akzeptanz erfordert skalierbare, konfigurierbare ICs und entsprechende Hardware, um eine bessere, schnellere und preiswertere Implementation in diese Produkte zu gewährleisten.
Segmente der drahtlosen Ladung
Aus der Perspektive des Endprodukte-Herstellers oder der OEM/ODM, können drahtlos geladene Produkte und die zugehörige Hardwarelösung nach verschiedenen Kriterien segmentiert werden, abhängig von der Endapplikation und den Systemanforderungen wie im Dreiachsen-Modell beschrieben (Abbildung 1). Diese sind:
Leistungspegel: Low Power
(<5 W), Medium Power (<15 bis
30 W) und High Power (bis zu einigen
10 kW): Smartphone-Laden ist im Low-Power-Segment dominierend, viele Firmen investieren aktiv in den Medium-Power-Bereich für Tablets, Laptops und in andere Segmenten wie Industrie und Medizin. High-Power-Produkte schließen ein Induktionserwärmung/Kochen und automotives drahtloses Laden (HEV).Ladearten: Induktives versus Resonanzladen wie durch die Standards nach WPC (Qi-Standard), PMA und A4WP (Rezence) unterstützt, führen zu wesentlichen Produktdifferenzierungen einschließlich der durch den Ladeabstand, dem Komfort und einer hohen 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.
Produkt-Realisierung (feste Funktion versus konfigurierbare Hardware): Hardware mit fester Funktion lässt keine Kundenlösungen zu, kann aber geringsten Platzbedarf bieten und kurzfristig Kosteneinsparungen. Konfigurierbare Hardwarelösungen dagegen bieten Produktdifferenzierung (z. B. Easy-to-Use konfigurierbar durch Steckbrücken und/oder Firmware-Programmierbarkeit) und 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.
Die Familie an Power Application Controllern (PAC) des Herstellers Active-Semi (in der Region EMEA exklusiv vertreten durch Ineltek, www.ineltek.com) bietet eine skalierbare und voll konfigurierbare Ein-Chip-Lösung für drahtloses Laden. Sie integrieren alle analogen Front-end- und konfigurierbare Powermanagement-Funktionen sowie 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. Das Wireless Power Transmitter Evaluation Kit (EVK) WPC A11 bietet eine kleine und einfache Lösung für WPC-Qi-v1.1.2-zertifizierte Wireless-Power-Transmitter-Lösungen, die auf dem IC PAC5220WP basieren. Da der WPC-Standard angewendet wird, unterstützt die Lösung auch die gesteuerte Positionierung der Suplen durch Zweifarben-LED und akustische Rückmeldung.
Mit der Plattform ist auch eine Skalierbarkeit zu höheren Leistungspegeln möglich, sie unterstützt diverse Standards und durch die µC-Programmierung kundenspezifische Anpassungen.
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 das Kit WPC A11 folgende Unterstützung bieten bezüglich der übertragenen Leistung, der Sicherheit und der einfachen Bedienung:
Kommunikation & Steuerung,
Leistungstransfer,
Erkennen ungültiger und fremder Objekte,
Messen von Strom, Spannung und Temperatur sowie Abschalten bei Fehlern und
optionell geführte Positionierung
Die weiteren Funktionen der Hardware/Software-Lösung PAC5220WP und wie sie die WPC-A11-Sendefunktionen ausführt, zeigt der folgende Abschnitt. In Abbildung 2 sind Kommunikation, Steuerung und die Leistungsübertragungsfunktion veranschaulicht dargestellt.
Low Power Standby: In diesen Mode geht das IC 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 gesendete Informationen nach Demodulation zur Lastmodulation an der Sendespule. Diese wird noch verbessert durch ping, ID und Phasenkonfiguration zur Leistungsübertragung.
Leistungsübertragung: Ist der Empfänger identifiziert und „Power Transfer Contract“, wie im WPC-Standard festgelegt, durch die PAC5220WP-Firmware aktiviert, wird Leistung von einer H-Brücke zur Sendespule gesendet. Der Leistungstransfer ist per WPC-Spezifikation geregelt. Er basiert auf der periodischen Kommunikation, die vom drahtlosen Powerempfänger geliefert wird.
Erkennen ungültiger und fremder Objekte: Durch die Überwachung der Eingangs- und Ausgangsleistung kann das IC PAC5220WP ungültige und fremde Objekte erkennen, die bei der Sendespule platziert sind. Das IC implementiert den WPC Foreign Object Detection (FOD) Support, um Empfänger vor Überhitzung durch Objekte im Übertragungspfad zwischen Sender und Empfänger zu schützen.
Ebenso implementiert ist auch die WPC’s Foreign Object Detection (FOD) entsprechend der Low-Power-Spezifikation, Version 1.1. 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 Evaluation Kits. 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.
Das IC PAC5220WP erkennt Spulenstrom, Eingangsspannung und -Strom sowie die Temperatur nahe der Sendespule (mittels NTC-Thermistor). Es verwendet dabei die differentiellen PGAs und ADC des ICs, um sowohl Unterspannung als auch Übertemperatur zu erfassen, und meldet den Fehlerzustand entsprechend den Wireless-Power-Consortium-Spezifikationen.
Thermischer Schutz: Das PAC5220WP EVK prüft periodisch die Spulentemperatur mit einem NTC-Thermistor. Ist diese größer als 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.Überstromschutz: Das EVK verfügt für diese Applikation über Überstromschutz. Überstrom führt zu Hardwarefehlern 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.
Überspannungsschutz: Das EVK verfügt für diese Applikation über Überspannungsschutz. Ist Vin
>6,5 V, wird das Laden gestoppt und erst wieder gestartet, wenn Vin unter 6,5 V ist.
Gesteuerte Platzierung: Diese bietet visuelle und akustische Meldung durch 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 das ICPAC5220WP in den Low-Power-Mode, um den Empfänger in leistungseingeschränkter Umgebung sicher zu laden. Dieser Mode wird mittels LED angezeigt.
PAC-basiertes Laden und das Dreiachsen-Modell
Die Merkmale des IC PAC5220WP der PAC-IC-Familie im Kontext mit dem Dreiachsen-Modell, wie es Abbildung 1 zeigt, stellen sich wie folgt dar.
Skalierbare Leistung: PAC5220WP integriert 1A/1A-High-Side- und Low-Side-Gatetreiber, um externe FETS anzusteuern, die die Leistung für die Primärspule (Sendespule) erzeugen. Dabei können die externen FETs entsprechend der übertragenen Leistung skaliert werden von Low- (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 Mikrocontroller und das Software-Entwicklungs-Kit gegebene Konfigurierbarkeit ermöglicht es, WPC, PMA und jede Kundenfirmware zu implementieren. Zusätzlich gestatten die integrierten drei High-Side- und drei Low-Side-Gatetreiber die Ansteuerung von Mehrfachspulen-Systemen wie bei WPC A6. Außerdem ist der patentierte konfigurierbare Powermanagement-Block in der Lage, AC- und DC-versorgte Systeme zu unterstützen.
Kundenspezifische Lösungen: Bei einem Design nach WPC Qi-certified A11 sind kundenspezifische Adaptionen möglich. So etwa die LED-Konfiguration, die für die maximale Effizienz kritische Totzeitsteuerung oder den FOD-Bereich. Diese sind über die Auswahl von Widerstandswerten auf dem Board variierbar. Zudem sind kundenspezifische Anpassung durch programmierbare Mikrocontroller und SDK möglich.
