Batterieladung Drahtlos, kompakt und effizient

In vielen batteriebetriebenen Applikationen gestaltet sich das Einstecken des Ladesteckers schwierig, etwa in Geräten, die hermetisch dicht sein sollen gegen Umwelteinflüsse oder die gereinigt werden müssen. Andere Geräte wiederum sind einfach zu klein, um einen Stecker aufzunehmen oder müssen im Betrieb bewegt werden. Hier ist drahtloses ­Laden die Lösung.

Ein drahtloses Übertragungssystem besteht aus dem Sender einschließlich der Sendespule und dem Empfänger mit der Empfangsspule (Bild 1). Der Sender erzeugt mit der Spule ein magnetisches Wechselfeld, das in die Empfangsspule koppelt; so wird elektrische Energie für das Laden einer Batterie oder die Versorgung einer Schaltung übertragen. Die empfangene Energie hängt ab von der Sendeenergie, dem Abstand und der Anordnung von Sende- und Empfangsspule zueinander und schließlich von der Toleranz der beteiligten Komponenten. Es soll die maximale Energie übertragen werden – auch unter „Worst Case“-Bedingungen. Dabei müssen aber im „Best Case“ thermischer und elektrischer Stress im Empfänger vermieden werden. Das ist besonders dann wichtig, wenn wenig Energie benötigt wird, weil z.B. die Akkus voll oder fast voll sind und mehr Energie zur Verfügung steht, als benötigt wird. Es gibt verschiedene Wege, mit dieser überschüssigen Energie klarzukommen. Die gleichgerichtete Spannung am Empfänger kann z.B. mittels Zener-­Diode oder Transorb begrenzt werden. Falls keine Rückmeldung vom Empfänger vorgesehen ist, kann die Sendeleistung reduziert werden, was aber generell die Übertragungsleistung oder den Übertragungsabstand begrenzt. Es ist aber möglich, die zu übertragende Energie dem Sender zu melden, der dann in Echtzeit die entsprechende Energie liefert. Dieses Verfahren wird in den Wireless-Power-Standards wie dem ­Qi-Standard des Wireless Power Consortium verwendet. Das Problem lässt sich aber in einer einfachen und effizienten Weise lösen, ohne auf die komplizierte digitale Übertragungstechnik dieser Standards zurückzugreifen. Für ein effizientes Management der Energieübertragung unter allen Bedingungen integriert der drahtlose Energieempfänger LTC4120 ein patentiertes Verfahren von PowerbyProxi, einem Partner von LT. Diese „Dynamic Harmonization Control“ oder DHC-Technik ermöglicht hocheffizientes kontaktloses Laden.

Es lassen sich bis zu 2 W über eine Entfernung von 1,2 cm übertragen. Durch Veränderung der Resonanzfrequenz des Empfängers von abgestimmt (tuned) auf nicht abgestimmt liefert DHC genügend Energie auch im Worst Case ohne Probleme und bei Best-Case-Bedingungen. Dies ermöglicht es, mit auf dem LTC4120 basierenden drahtlosen Ladesystemen über einen weiten Bereich von Abständen zu arbeiten, auch bei Abweichung der Lage der Spulen zueinander. Darüber hinaus vermeiden LTC4120-Systeme durch die Steuerung der Energieübertragung auf der Empfängerseite alle Interferenz-Probleme, die eine Energielieferung unterbrechen würden. Bild 2 zeigt die vom LT4120 empfangene Energie je nach Abweichung der Position von Sende- und Empfangsspule. Bei 10 mm Abweichung werden 2 W übertragen, und selbst bei starker Abweichung der Spulen zueinander wird die Energieübertragung nicht wesentlich verringert. Es sind verschiedene drahtlose Sender denkbar; die in Bild 2 gezeigten Daten wurden von einem Basissender (AC/DC) generiert, der auf einem Open-Source-Referenzdesign beruht. Details über den verwendeten stromgespeisten Gegentaktsender zeigt eine Applikationsschrift auf der Web-Präsenz von Linear Technology.

Auswahl und Auslegung
Bei der Auswahl des Senders müssen nun verschiedene Faktoren berücksichtigt werden:

  • Wie ist die Standby-Stromaufnahme, wenn kein Empfänger vorhanden ist?
  • Kann der Sender unterscheiden, ob ein Empfänger vorliegt oder nur ein unbestimmtes Stück Metall?
  • Wie empfindlich sind nahegelegene Schaltungen gegen EMI? 

Ein Sender kann einfach und preiswert aufgebaut werden. Mit einem passiven Resonanzfilter wird das EMI-Spektrum auf die nominale Sendefrequenz (>130 kHz) begrenzt. Es wird hierbei jedoch stets mit voller Leistung gesendet; d.h., die Standby-Leistung ist relativ hoch und es wird nicht unterschieden, ob ein LTC4120-Empfänger oder ein Metallstück vorhanden ist, das dann durch ­Induktionsströme erwärmt wird. Durch die effiziente Abwärtsschaltregler-Topologie des LTC4120-Lade-IC wird zusammen mit dem DHC-Verfahren ein Gesamtwirkungsgrad von 50 bis 55 % erzielt. Um diesen Wert zu ermitteln, muss man die Batterieladeenergie durch die am Sendereingang eingespeiste Energie dividieren. Der Gesamtwirkungsgrad hängt dabei ab von dem Koppelgrad und der Last. Beim Laden einer Li-Ionen Zelle mit z.B. 400 mA steigt die Temperatur der Leiterplatte mit dem LTC4120-Empfänger nur um 10 °C über die Umgebungstemperatur an.

Weitere Systembetrachtungen
Ein auf dem LTC4120 basiertes drahtloses Batterieladesystem kann einen Akku mit 400 mA über einen großen Abstand laden. Lithium-Akkus versorgen viele Handheld-Applikationen, dabei sind 1S- und 2S-Li-Ion-Akkus (nominal 3,7 bzw 7,4 V) üblich. Längere Zyklen und verbesserte Sicherheit bieten aber auch viel Raum für den Einsatz von LiFePO4-Akkus. Für diese Akku-Packs wird eine Vielzahl unterschiedlicher Spannungen gefordert, da Anwender abwägen zwischen der Akkuanfangskapazität, der Ladezyklenanzahl und der verbleibenden Kapazität. Um alle diese Möglichkeiten zu adressieren, benötigt der LTC4120 keine weitere Schaltungen, um sowohl 1- und 2-Zellen-Li-Ion-Akkus als auch 1-, 2- und 3-Zellen-LiFePO4-Akkus zu laden. Der Ladestrom kann zwischen 50 und 400 mA programmiert werden, die Ladespannung lässt sich zwischen 3,5 und 11 V programmieren. Mit einem integrierten Konstantstrom/Spannungs-Ladealgorithmus bietet der LTC4120 zusätzliche Sicherheitsmerkmale. Ein Timer beendet sicher die Ladezyklen, und schädliche Temperaturbedingungen werden durch die Überwachung der Akkutemperatur vermieden. Das Laden wird falls nötig automatisch ­unterbrochen. Zwei Ladestatus-Pins melden außerdem Informa­tionen über Ladezyklen und mögliche Fehler. Linear Technology hat mit dem LTC4120 einen IC entwickelt, mit dem sich ein kompaktes, hocheffizientes drahtloses Batterie­ladesystem aufbauen lässt. Das DHC-Verfahren ermöglicht einen sehr großen Übertragungsabstand und erlaubt große Abweichungen der Position von Sende- und Empfangsspule zuein­ander. Der LTC4120 ist damit eine Schlüsselkomponente in einem drahtlosen Ladesystem (Bild 3).