Überlegungen zum Tausch von Ladespulen für die drahtlose Energieübertragung

Autor: Raghu Narayanan, Würth Elektronik eiSos

Drahtloses Aufladen findet gegenwärtig – vor allem bei neueren technischen Geräten wie Smartphones, Tablets oder Laptops – eine immer stärkere Verbreitung. Angesichts der rasanten technischen Entwicklung in diesem Bereich kann wohl davon ausgegangen werden, dass zukünftig zahlreiche elektronische Endverbrauchergeräte drahtlos aufgeladen oder betrieben werden. Die Anzahl der Hersteller drahtloser Ladespulen und zugehöriger Regler-ICs wird voraussichtlich ebenfalls zunehmen, um den steigenden Bedarf aufseiten der Verbraucher zu decken. Nun könnte man fragen, warum der Endverbrauchermarkt für uns interessant sein sollte. Die meisten bekannten Technologien wurden durch den Markt für elektronische Konsumgüter vorangetrieben, und erst danach haben Industrie und ähnliche Bereiche auf der Basis der gemachten Erfahrungen die Entwicklungszeiten verkürzt. Der Zweck des vorliegenden Dokuments besteht darin, eine Methodik zum Tausch drahtloser Stromladespulen von Würth Elektronik eiSos zu veranschaulichen, wie sie auf einer Demoschaltung verbaut wurden, die auch die Empfängersteuerung LTC4120 von Linear Technology umfasst.

In Anbetracht des Bedarfs an drahtlosen Ladeanwendungen bei verschiedenen tragbaren Geräten und zur Unterstützung von Technikern bei der Entwicklung weiterer Endprodukte mit drahtloser Ladefunktionalität wurde dieser Anwendungshinweis verfasst. Er enthält Empfehlungen und beschreibt Methoden zum Tausch drahtloser Ladespulen.

2. Das Prinzip der drahtlosen Energieübertragung

Zur Übertragung von Energie von einem Sender an einen Empfänger auf drahtlosem Wege wird ein Prinzip eingesetzt, das mehr als ein Jahrhundert alt ist: die Gegeninduktion. Dennoch zeigen neuere Entwicklungen, dass, wenn zwei für minimale Verluste und Absorption (hoher Q-Wert) ausgelegte Schwingkreise, die auf gleicher Frequenz resonieren, in enge Nachbarschaft (d. h. in den Nahfeldbereich) gebracht werden, Energie aufgrund evaneszenter Wellenkopplung mit hoher Effizienz vom Sender an den Empfänger übertragen wird. 

Damit ein drahtloses Energieladesystem effizient funktionieren kann, müssen die Frequenzen von Sender und Empfänger aufeinander abgestimmt werden. Für unterschiedliche Induktivitätswerte bei Lade- und Koppelspule müssen weitere Bestandteile der Schaltung getauscht werden, um dieselbe Schwingungsfrequenz zu erhalten. Das vorliegende Dokument erläutert ferner den einmaligen Vorteil der Verwendung drahtloser Energieladespulen von Würth Elektronik.

3. WE Wireless Power-Ladespulen

Als Mitglied des Wireless Power Consortium (WPC) und der Alliance for Wireless Power (A4WP), die jetzt unter dem Namen „Rezence“ bekannt ist, hat Würth Elektronik eiSos im Rahmen proprietärer Lösungen bereits verschiedene drahtlose Sende- und Empfängerspulen entwickelt, die mit dem Qi-Standard kompatibel sind. Nachfolgend abgebildet sind einige drahtlose Sende- und Empfängerspulen.

Nachfolgend aufgeführt sind die zur Evaluierung in Betracht gezogenen drahtlosen Sende- und Empfängerspulen von Würth Elektronik eiSos.

Senderspulen 

1. 760 308 111
2. 760 308 110
3. 760 308 104 113
4. 760 308 101 302

Empfängerspulen 

1. 760 308 201
2. 760 308 101 303

4. Laderegler für die drahtlose Energieübertragung

Der für diese Evaluierung ausgewählte drahtlose Laderegler ist der LTC4120 von Linear Technology, der in einem einzigen Chip einen drahtlosen Energieempfänger und eine Buck-Batterieladeeinheit (400 mA) integriert. Dieser Regler wird für die Demoschaltung DC1967A verwendet. Die Schwingfrequenz der Empfängerbaugruppe beträgt 127 kHz bei vorhandener und 140 kHz bei fehlender Abstimmung. Abbildung 4: DC1967A, Demo-Empfängerkarte zeigt die Demoschaltung DC1967A.

Merkmale des LTC4120: 

• Mit der DHC-Funktion (Dynamic Harmonization Control) wird das drahtlose Laden über einen breiten Kopplungsbereich optimiert.
• Breiter Eingangsspannungsbereich: 4,3 V bis 40 V
• Einstellbare Erhaltungsspannung: 3,5 V bis 11 V
• Ladestrom: 50 mA bis 400 mA (programmierbar über einzelnen Widerstand)
• ±1 % Genauigkeit bei der Rückführspannung
• Ladestrom auf 5 % genau programmierbar
• Kein Transformatorkern

Die drahtlose Demo-Senderschaltung DC1968A ist ein einfacher Sender, der unter Verwendung einer stromgekoppelten astabilen Kippschaltung entwickelt wurde, deren Schwingungsfrequenz durch einen Schwingkreis festgelegt wird (siehe Abbildung 5: DC1968A, Demo-Sendekarte). Die hier festgelegte Schwingungsfrequenz beträgt 130 kHz. Allerdings würde die Betriebsfrequenz abhängig von der Last beim Empfänger und dem Kopplungsfaktor zur Empfängerspule schwanken. Eine andere Version des Senders, gefertigt von Power by Proxy, bietet den zusätzlichen Vorteil der Erkennung fremder Objekte und besitzt eine niedrige Standby-Leistung. Mit der DHC-Funktion des LTC4120 wird die Frequenz entsprechend den Leistungsanforderungen des Akkus (Last) entweder nah oder entfernt von der Schwingungsfrequenz des Senders festgelegt: Ist der Kopplungsfaktor zwischen Sende- und Empfangsspule hoch, dann wird die Frequenz so festgelegt, dass die Energieübertragung begrenzt wird; ist der Kopplungsfaktor niedrig, dann wird die Frequenz so eingestellt, dass die Energieübertragung verstärkt wird. Das Merkmal des fehlenden Transformatorkerns beim LTC4120 ermöglicht eine galvanische Trennung ohne Transformatorkern. 

6. Wesentliche Parameter

Es ist vor allem wichtig, Betrieb und Merkmale des drahtlosen Ladereglers LTC4120 und die Spezifikationen der Spulen nachzuvollziehen, die in die Demoschaltungen integriert werden sollen. Im Abschnitt 3 ist eine Liste drahtloser Sende- und Empfängerspulen aufgeführt, die für die Evaluierung der Demo-Baugruppen DC1968A bzw. DC1967A in Betracht gezogen werden. Der obige Abschnitt 4 erläutert kurz die Funktionen und Merkmale der Demo-Baugruppe. Die Senderspule wird durch eine stromgekoppelte Quelle gespeist, damit vom Sender ein gutes sinusförmiges Signal übertragen wird.

Wie sich dem Datenblatt zum LTC4120 entnehmen lässt, sollten Lx (Induktivität der Senderspule) und Lr (Induktivität der Empfängerspule) idealerweise so ausgewählt werden, dass ein Windungsverhältnis von 1:3 erzielt wird. Die Induktivitätswerte können so ausgewählt werden, dass die erforderliche Spule nicht zu groß ist (falls die Kapazität des Kondensators am sendeseitigen Ende zu niedrig ist) und der Kreisstrom am sendeseitigen Ende nicht zu hoch ist (falls die Induktivität der Primärseite zu niedrig ist). Die für die korrekte Auswahl von Schwingungsinduktivitäten und Kondensatoren erforderliche Rückwärtsanalyse ist im Folgenden beschrieben.

6.1 Empfängerspule und Frequenz

Die Spule auf der Empfängerseite, die gegenwärtig beim DC1969A eingesetzt wird, hat eine Induktivität von 47 µH. Es handelt sich dabei um eine eingebettete 4-Schicht-PCB-Spule mit Ferritbasis. Würth Elektronik eiSos bietet eine Spule an, die die PCB-Spezifikation erheblich überschreitet und so eine deutlich höhere Effizienz bietet. Die Teilenummer lautet 760 308 101 303, die Kurzspezifikation entnehmen Sie Tabelle 2. Eine ausführliche Spezifikation finden Sie im Datenblatt, das Sie unter http://www.we-online.com/wirelesspower herunterladen können.

Die Empfängerfrequenz ändert sich von 127 kHz in 142 kHz. Unter abgestimmten Bedingungen beeinträchtigen sowohl C2P als auch C2S die Schwingungsfrequenz, unter nicht abgestimmten Bedingungen würde dies nur C2S tun.

Bei Berechnung mit der obigen Formel für die Schwingungsfrequenz unter nicht abgestimmten Bedingungen (Fd = 142 kHz) ergibt sich als erforderliche Kapazität C2S = 26,7 nF.

Durch Parallelschaltung von 22 nF und 4,7 nF ergibt sich die erforderliche Kapazität. Die Frequenz 142 kHz unter nicht abgestimmten Bedingungen (anstelle von 140 kHz) ergibt sich aus der Begrenzung der verfügbaren Kapazität.

Ähnlich ergibt sich für die Schwingungsfrequenz unter abgestimmten Bedingungen (Ft = 127 kHz) für die erforderliche Kapazität:

C2P = 6,75 nF,

Der nächstgelegene Wert für diese Kapazität beträgt 6,8 nF.

Hinweis:

Die in DC1969A verwendeten Bauteile sind parallel geschaltet und weisen 1,8 nF bzw. 4,7 nF auf. Bei diesem Wert beläuft sich die Frequenz auf 131 kHz.

6.2 Senderspule und Frequenz

Nachdem wir nun die Empfängerspule mit einem Induktivitätswert von 47 µH ausgewählt haben, lässt sich die Senderspule entsprechend auswählen, um der im Datenblatt zum LTC4120 beschriebenen Empfehlung eines Windungsverhältnisses von 1:3 nachzukommen.

Für die obige Anforderung bietet Würth Elektronik eiSos das Bauteil 760 308 101 302 an. Die wichtigsten Parameter lauten: 5,3 µH, 6 A, 33 mΩ, Q = 100.

Frequenz der angestrebten Schwingung

Oszilloskop Aufnahmen

Die nachfolgenden Oszillogramm Aufnahmen beziehen sich auf die oben beschriebenen jeweiligen Tests. In den Oszillogrammen bezeichnet Ch1 das gleichgerichtete empfangene Signal, Ch2 ist kein Signal, Ch3 ist das Empfängersignal und Ch4 der gleichgerichtete Empfängerstrom.

Abbildung 6: Oszillogramme für unterschiedliche Testbedingungen

Durch Analyse dieser Signale lässt sich feststellen, dass sich mit Bedingung 1 die beste Leistung erzielen lässt. Die betrachteten Kriterien sind dabei der Wirkungsgrad der Spule und die Fähigkeit zur Unterstützung des maximalen Laststroms bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer möglichst hohen Spannung am empfängerseitigen Ende. Es lässt sich erkennen, dass die Energieübertragungsleistung besser ist, wenn das Windungsverhältnis der Spule Tx zur Spule Rx 1:3 beträgt – ein niedrigeres Windungsverhältnis hat offenbar eine Abschwächung der Signalübertragung auf Empfängerseite zur Folge, weswegen kein ausreichend hoher Ladestrom erzielt werden kann. Dies ist bei den Bedingungen 2 und 3 der Fall, wo von den Spulen nicht mehr als 1,895 W bzw. 1,18 W unterstützt werden.

Deswegen ist das Windungsverhältnis von 1:3 zwischen Sender und Empfänger wichtig, entbindet aber nicht von der Auswahl einer Ferritbasis geeigneter Größe, Form und Stärke und der Anordnung der Wicklung auf der Ferritbasis.

6.4. Kreisstrom

Der Kreisstrom im LC-Kreis der Primär- und Sekundärspule muss für einen zuverlässigen Betrieb der Schaltung geschätzt werden. Die geschätzte Spannung in der Primärspule beträgt:

Der Blindwiderstand des 0,3-µF-Kondensators beläuft sich bei einer Frequenz von 126,3 kHz auf:

Xc = 3,74 Ω

Der oben berechnete Wert Xc hat eine Kreisstromstärke in einer Größenordnung von ca. 4,2 A (Spitze) bzw. ca. 3 A (effektiv) zur Folge.

Aus diesem Grund sind 0,15-µF-Kondensatoren auszuwählen, die bei 126,3 kHz einen zulässigen Effektivstrom von mindestens 1,5 A bieten. Verwendet wurde der Kondensator ECHU1H154GX9 mit einem Effektivstrom von ca. 1,5 A. Ebenso unterscheidet sich der Kreisstrom bei verschiedenen Prüfbedingungen; es ergeben sich folgende Werte: 

• Bedingung 1: 2,07 A effektiv
• Bedingung 2: 0,931 A effektiv
• Bedingung 3: 0,459 A effektiv
• Bedingung 4: 2,14 A effektiv

6.5. Eingangsstrom

Der Betrag der Eingangsstromaufnahme zur Erzeugung eines ausreichend großen Sekundärstroms ist eine Funktion des Magnetfeldes, das an der Primärspule generiert wird. Die Größenordnung des Magnetfeldes ist direkt proportional zum Strom der Senderspule und ein Produkt von Eingangsstrom und Q-Wert.

Β = Q • ILx

Aus diesem Grund ist bei der Auswahl der Primärspule deren Q-Wert zu beachten. Diese Spule 760 308 101 302 von Würth Elektronik eiSos hat einen Q-Wert von 100. Dies ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt im Vergleich zu den Mitbewerbern der höchste verfügbare Wert. Der zur Versorgung mit dem Laststrom erforderliche Eingangsstrom kann durch Verwendung einer Senderspule mit einem möglichst hohen Q-Wert und des optimierten Windungsverhältnisses optimiert oder minimiert werden. Bei einem hohen Windungsverhältnis wird durch die DHC-Funktion sichergestellt, dass nicht zu viel Eingangsstrom an die Empfängerseite übertragen wird. Betrachten Sie in diesem Zusammenhang auch die Prüfbedingungen 1 und 2, wobei das empfangene Signal bei Bedingung 1 stärker ist und die DHC-Funktion aktiv die an den DC/DC-Wandler angelegte Spannung begrenzt (das Signal Ch2 verzeichnet in jedem Zyklus einen abrupten Abfall, wenn der DHC-Kontakt an Masse gelegt wird). Im Vergleich dazu wird bei Bedingung 2, bei der das Windungsverhältnis lediglich 1:2 beträgt, die Bedingung VIN > V DHC nicht erfüllt, wenn der DHC-Kontakt an Masse gelegt wird. Aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad der Energieübertragung der höchste bei den vier Testbedingungen.

6.6. R_DC

Der RDC der Sende- und Empfangsspulen ist direkt proportional zum Wirkverlust, weswegen ein niedrigerer RDC der Spulen zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrads zu bevorzugen ist.

Der Widerstand der Sekundärspule wirkt sich auf deren Wirkungsgrad aus, der wie folgt festgelegt ist:

Der RDC der Senderspule 760 308 101 302 von Würth Elektronik eiSos beläuft sich auf 33 mΩ bei einem Effektivstrom von 2,2 A.

Es ergibt sich ein Leistungsverlust von I² • DCR = 0,16 W.

6.7. Reflektierte Impedanz

Die Schwingungsfrequenzen der LC-Kreise von Sende- und Empfängerseite ändern sich je nach belastetem oder unbelastetem Zustand. Es ist wichtig zu verstehen, welchen Einflüssen die reflektierte Impedanz in einem Schwingkopplungskreis ausgesetzt ist und welche Wirkung die reflektierte Impedanz ihrerseits auf die Leistungsfähigkeit des Systems ausübt.

Durch welche Faktoren die reflektierte Impedanz beeinträchtigt wird, ist im Folgenden erklärt.

Die reflektierte Impedanz Zr lässt sich mit folgender Gleichung ausdrücken:

Kirchhoffsche Gleichung zur Primärseite aus Abbildung 6

Gleichung 1:

Kirchhoffsche Gleichung bei Berücksichtigung der Lastabschaltung

Gleichung 2:

Ersetzung des Werts I2 in Gleichung 1

Hierbei ist Zm = -jω M.

M = gegenseitige Induktivität zwischen Primär- und Sekundärseite

So lässt sich die reflektierte Impedanz im Kreis wie folgt ausdrücken:

Wenn der Sekundärkreis mit der gleichen Frequenz schwingt wie der Primärkreis, wird nur die Resistanz, nicht aber die Induktanz oder Reaktanz am Primärkreis reflektiert. Die Resistanz des Sekundärkreises beträgt:

Daraus ergibt sich, wenn beide Kreise bei gleicher Frequenz schwingen, folgende reflektierte Impedanz:

Der Wirkungsgrad des Systems ist voraussichtlich höher, wenn der Term ReZr größer ist.

Allerdings wirkt sich auch eine erhebliche Abnahme des Lastwiderstands RL auf den Wirkungsgrad des Sekundärkreises aus, denn Rs ist vorherrschend bezogen auf den Spannungsabfall.

Folgende Faktoren bestimmen den Spannungsabfall am Sekundärkreis:

6.8. Die DHC-Funktion

Durch die DHC-Funktion des LTC1967A wird die Schwingungsfrequenz auf eine voreingestellte, nicht abgestimmte Frequenz von 140 kHz verschoben, wenn die Spulen einen besseren Kopplungsfaktor aufweisen, d. h. die Spannung bei VIN größer als 14 V ist; ist der Kopplungsfaktor der Spulen hingegen niedrig (VIN < 14 V), dann erfolgt eine Abstimmung auf 127 kHz.

Deswegen ist es bei der Auswahl der Spule für einen Sendekreis wichtig, auf eine Schwingungsfrequenz zu achten, die höher ist als die im abgestimmten Zustand eingestellte Empfängerfrequenz. Hierdurch wird sichergestellt, dass Sender und Empfänger bei gleicher Frequenz schwingen und dieser Kreis als doppelt abgestimmter Schwingkreis fungiert und der Chip folglich die volle Energieübertragung ermöglicht.

Das nachfolgende Oszillogramm zeigt das Signal bei Ch1: einen Rechteckimpuls im Bereich der Senderfrequenz. Jedes Mal, wenn das Empfangssignal bei VIN höher ist als die Spannung am DHC-Kontakt, wird der DHC-Kontakt an Masse gelegt, damit sichergestellt ist, dass sich VIN (Ch3) nicht noch weiter erhöht. Die Kurve von Ch2 zeigt das Signal in der Empfängerwindung, Ch4 stellt den Strom durch den Sender dar.