Lader für Mobilgeräte Gibt es Hoffnung auf eine Standardisierung?

Während die älteren Versionen von USB zu neun verschiedenen Steckverbindern geführt haben, gibt es bei USB-Type-C nur einen Stecker
Während die älteren Versionen von USB zu neun verschiedenen Steckverbindern geführt haben, gibt es bei USB-Type-C nur einen Stecker

USB-Type-C hat das Potenzial zum Standard für Ladekabel zu werden – können die drahtlosen Ladetechniken kontern?

Der durchschnittliche Verbraucher verfügt über eine Vielzahl von Mobilgeräten. Mangels eines allgemein anerkannten und robusten Standards muss ein Verbraucher, der mehrere verschiedene Geräte besitzt, eine ganze Reihe von Ladegeräten und Kabeln bereithalten. Das ist für ihn lästig und verwirrend. Dieser Zustand ist auch längst zu einem politischen Problem geworden, denn in dem Maß, wie die Verbraucher ältere Mobilgeräte durch die neusten Modelle ersetzen, fallen in Europa jährlich Millionen veralteter Netzteile an, die in den Deponien landen.

Aus diesem Grund drängen die Regierungen auf eine Standardisierung der Netzteile mit dem Ziel, dass alle Geräte mit einem einzigen Ladegerät geladen werden können, das nie weggeworfen werden muss. Wie so häufig in der Welt der mobilen Technologien haben die Ingenieure jedoch dafür gesorgt, dass alle Bemühungen des Gesetzgebers bereits zu Beginn überholt waren.

Zum Ersten hat die Industrie unlängst eine weitere drahtgebundene Schnittstelle zur Spannungsversorgung und Kommunikation eingeführt: USB Type-C hat gegenüber älteren USB-Ladegeräten eine Reihe von Vorteilen. Zweitens kämpfen verschiedene drahtlose Ladetechnologien um die Gunst der Verbraucher, wobei sich jedoch noch keine als Sieger abzeichnet. Auch das steht den Versuchen im Weg, die Standardisierung per Gesetz vorzuschreiben.

Wie wirkt sich all dies auf kleine und mittelgroße Hersteller mobiler und batteriebetriebener Geräte aus? Was ist der beste Rat für Entwickler, die ihre nächste batteriebetriebene Entwicklung zukunftssicher machen wollen?

Das Problem beim 1995 eingeführten USB ist, dass schnell eine Reihe von Varianten entstanden sind, sowohl beim Kommunikationsprotokoll als auch beim Steckverbinder. Die vielen unterschiedlichen Steckverbinder haben bei den Anwendern zu erheblicher Frustration geführt, denn sie benötigen eine ganze Sammlung von Kabeln und Adaptern, um ein Ladegerät mit verschiedenen Geräten zu verbinden. Hinzu kommen die vielen proprietären Änderungen der USB-Technologie. Die Ursache dafür war die Notwendigkeit, widersprüchliche Anforderungen verschiedener Geräte abzudecken: Beim Desktop-PC, für den USB ursprünglich vorgesehen wurde, waren vor allem die Spannungsversorgung und eine robuste Verbindung wichtig, und Platz war reichlich vorhanden. Die Industrie entwickelte zahlreiche Mini- und Mikro-Steckverbinder, um die USB-Technologie auch in kleineren Geräten wie Handys, Tablets und Mediaplayern unterbringen zu können.

USB-Type-C bietet nun die Möglichkeit, diese vielen Steckertypen durch einen einheitlichen Stecker zu ersetzen, denn diese Technologie kombiniert erstmals geringe Abmessungen mit der Übertragung hoher Leistungen. Der Standard sieht bis 100 W aus dem Host über einen 24-poligen doppelseitigen Steckverbinder vor, der nur 8,4 x 2,6 mm groß ist. Das ist klein genug, um ihn auch in den neusten Smartphones und Wearables einzusetzen.

USB-Type-C ermöglicht somit eine durchgehende Spannungsversorgung für ein vollständiges PC-System. So kann ein Monitor ein Notebook, eine Maus und eine Tastatur über einen aktiven Hub mit Energie versorgen. Tatsächlich lässt sich fast jedes Mobilgerät über diesen einen kompakten Steckverbinder versorgen. So scheint USB Type-C mit einem Schlag sowohl das Problem der Abfallvermeidung bei veralteten Geräten als auch der Standardisierung eines Ladegeräts für alle Mobilgeräte zu lösen.

Leider ist das alles in der Praxis nicht ganz so einfach. Innerhalb der USB-C-Spezifikation sind auch verschiedene Optionen zur Spannungsversorgung vorgesehen. Zusätzlich ist ein USB-Type-C-Kabel in der Lage, die verschiedenen Datenraten und Leistungsniveaus aus vorherigen Spezifikationen ab USB 2.0 zu übertragen. Um die Legacy-USB-Protokolle zu unterstützen, erkennt der Host (der sog. Downstream Facing Port, DFP) beim Anschluss die Spezifikation des Upstream Facing Port (UFP) mit Hilfe verschiedener Pull-up-Widerstände. Daran erkennt der Host den Spannungs- und Leistungsbedarf des UFP. Die Spezifikation zur Spannungsversorgung bei USB-Type-C definiert zwei Anschlüsse als „Configuration Channels“ 1 und 2 (CC1 und CC2). Diese Anschlüsse haben zwei Funktionen: Erstens erkennen sie, wenn ein Kabel an der Schnittstelle angeschlossen wird, den Typ des angeschlossenen Geräts und dessen Strombegrenzung. Zweitens ermöglichen sie die Handhabung nicht standardmäßiger Versorgungsmodi. Natürlich kann ein USB-Type-C-Gerät sowohl Leistung abgeben als auch aufnehmen und sein Verhalten während des Betriebs ändern.

Im Standardmodus meldet der DFP über den Wert des Widerstands Rp den Strom, den es liefern kann, und der UFP muss gewährleisten, dass er dieser Konfiguration entspricht. Der DFP kann standardmäßig 900 mA, 1,5 A oder 3 A liefern, jeweils bei 5 V. Diese Standardkonfiguration zur Spannungsversorgung kann mit einem Kommunikationsprotokoll verändert werden, das den Gleichspannungspegeln an den CC-Anschlüssen überlagert und an den Anschlüssen überwacht wird. Hierzu wird eine Zweiphasenmarkierungskodierung (BMC) eingesetzt, die eine Anpassung der vom DFP gelieferten Ströme und Spannungen ermöglicht.

Beide Enden müssen das Kommunikationsprotokoll unterstützen, um die Fähigkeiten der USB-Type-C-Technologie optimal auszunutzen. Dies hat Auswirkungen auf die Konstruktion einfacher Ladegeräte, denn sie dürfen nicht einfach nur allen Geräten in allen Situationen den maximalen Strom liefern. Ein Universalladegerät benötigt ein gewisses Maß an eingebauter Intelligenz, um sich an die Bedürfnisse der verschiedenen angeschlossenen Systeme anpassen zu können.

Zum Glück kann ein intelligenter USB-Type-C-Controller mit von der Stange erhältlichen Chipsätzen implementiert werden, die die komplexen Aufgaben im Zusammenhang mit Legacy-USB-Spezifikationen und den verschiedenen Optionen zur Spannungsversorgung über Type-C übernehmen. So übernimmt z.B. der PTN5100 von NXP Semiconductors die meisten Aufgaben bei der Konfiguration. Der LIF-UC110-SG48I, ein FPGA auf dem die USB-Type-C-Lösung von Lattice Semiconductor für Ladegeräte läuft, hat ähnliche Fähigkeiten. Darüber hinaus ist der Lattice LIF-UC110 in der Lage, die Handhabung und den Verbindungsaufbau bei Legacy-USB-Geräten zu übernehmen, bei denen die Anschlüsse D+/D- genutzt werden, um die Ladefähigkeit zu bestimmen, sowie die Kommunikation über die Anschlüsse CC1/CC2 bei USB-C-Geräten zu unterstützen.

Gerade jetzt, wo es für drahtgebundene Ladegeräte mit USB-Type C einen universellen Standard gibt, auf den sich die Industrie einrichten kann, hat die Nachfrage von Seiten der Verbraucher eine neue und andere Form der Ladeinfrastruktur ins Spiel gebracht, die die OEM unterstützen sollen: das drahtlose Ladegerät.

Das Konzept des drahtlosen Ladens ist erstmal vor 100 Jahren in Form erfolgloser Experimente von Nikola Tesla zu Beginn des 20. Jahrhunderts aufgekommen und wird in elektrischen Zahnbürsten seit vielen Jahren eingesetzt. In jüngster Zeit sind jedoch verbesserte Technologien zum drahtlosen Laden auf den Markt gekommen. Kapazitive Kopplung ist bei Ladegeräten nur wenig verbreitet, obwohl sie sehr effizient ist. Die verbreitetsten Ansätze nutzen heute zwei Verfahren zum induktiven Laden: die induktive Kopplung und die resonante Kopplung.

Die Technik zur induktiven Kopplung arbeitet ähnlich wie die zum Laden der elektrischen Zahnbürsten. Das Ladegerät ist mit einer Spule ausgestattet, und im zu ladenden Gerät befindet sich eine weitere Spule. Die Leistung wird magnetisch mit einer wechselstromartigen Wellenform über den Luftspalt übertragen. Tatsächlich bilden die beiden Spulen die zwei Wicklungen eines Transformators. Ausrichtung und Abstand zwischen den Spulen bestimmen dabei weitgehend die Effizienz des Systems.