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Wireless Charging

NFC oder Qi für Wearables?

26. Juni 2019, 10:00 Uhr | Peter Schmallegger, NXP Semiconductors

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Qi und NFC im Vergleich

Im Rahmen dieser Studie, die Qi und NFC in Bezug auf ihre Ladefähigkeiten vergleicht, werden Daten über die Leistungsfähigkeit von kabellosen Ladelösungen für Geräte mit kleinen Formfaktoren (zugehörige Leistungsklasse unter 1 W) ermittelt. Der Vergleich soll Aufschluss darüber geben, wie sich diese beiden Ladekonzepte über das gesamte Leistungsspektrum der WPC- und NFC-Standards hinweg ergänzen. Die Messungen wurden mit handelsüblichen Entwicklungskits von zwei verschiedenen Qi-Anbietern und einem Prototypen-Kit für NFC nach dem kürzlich veröffentlichten Kandidatenstandard des NFC-Forums für das kabellose Laden durchgeführt. Jedes Entwicklungs- und Prototypen-Kit besteht jeweils aus einer Sender- und einer Empfängerplatine mit jeweils einer entsprechenden Antenne (Tabelle 1).

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Für jede Ladelösung werden Vergleichsmessungen nach vordefinierten Prüfschritten durchgeführt, wie im Folgenden beschrieben. Während die Position der Senderantenne fix ist, lässt sich die Empfängerantenne in X-Richtung (parallel zur Antennenebene, um den Versatz zwischen den Antennen zu verändern) und in Z-Richtung (senkrecht zur Antennenebene, um den Abstand zwischen den beiden Antennen zu verändern) bewegen.

Folgende Testschritte wurden ausgeführt:

Die Empfängerantenne wird in 1-mm-Schritten sowohl in X- als auch in Z-Richtung verfahren.
An jeder Antennenposition werden der Wirkungsgrad und die Stabilität der Kommunikation gemessen.
In Z-Richtung beginnen die Messungen bei einem Abstand von 1 mm, da bei Z = 0 mm Abstand der Überspannungsschutz auslöst.

Messschritte für jede Antennenposition:

Die Stromversorgung ist abgeschaltet.
Empfängerantenne auf Messposition bringen.
Stromversorgung einschalten.
Sobald die Geräte miteinander verbunden sind, werden Leistung, Ausgangsspannung und Wirkungsgrad ermittelt. Anschließend vergrößert man den Versatz (Offset) in X-Richtung um 1 mm, während die Z-Richtung unverändert bleibt. So fortfahren, bis die Verbindung zum Empfänger jeweils abreißt.
Dann zurück zum Ursprung (X = 0) und den Antennenabstand in Z-Richtung um 1 mm erhöhen. Messungen mit zunehmendem Abstand wiederholen, bis die Verbindung jeweils abreißt.

Die Messungen werden von einem unabhängigen Prüflabor durchgeführt.

Testergebnisse

Die Messergebnisse sind in den Tabellen 2 bis 4 zusammengefasst. Jede Tabelle zeigt die Ergebnisse pro Antennenposition bei einem Antennenabstand in Z-Richtung von 2 mm bis 6 mm einem Versatz in X-Richtung von 0 mm bis 3 mm. Um den Leistungspegel und die Stabilität der Kommunikation zu beschreiben, nutzen wir einen Farbcode, während die gemessenen Wirkungsgrade in Prozent für jede Position angegeben sind. Dabei steht Grün für 500 mW gelieferte Leistung bei stabiler Kommunikation, Gelb für weniger als 500 mW gelieferte Leistung bei stabiler Kommunikation und Rot für weniger als 500 mW gelieferte bei instabiler Kommunikation.

Beim NFC-Laden bei X = 0 mm wird eine Leistung von 500 mW geliefert und die Kommunikation ist bis zu einem Abstand von 5 mm in Z-Richtung stabil, der Wirkungsgrad bleibt über 50 %. Bei einem Abstand von Z = 6 mm wird eine Leistung von 500 mW nicht mehr erreicht, aber die Kommunikation bleibt stabil und der Wirkungsgrad erreicht 45 %. Bis zu einem Abstand von Z = 3 mm und einem Antennenversatz in X-Richtung von bis zu 3 mm erreicht der Leistungspegel wiederum 500 mW, die Kommunikation bleibt auf stabilem Niveau, während der Wirkungsgrad über 50 % bleibt. Die Kommunikation beginnt beim ersten Mal bei einer Entfernung von Z = 6 mm und einem Antennenversatz von X = 1 mm abzureißen.

Beim Qi-Laden bei X = 0 mm wird eine Leistung von 500 mW geliefert und die Kommunikation ist bis zu einer Entfernung von 3 mm in Z-Richtung stabil, der Wirkungsgrad beträgt 44 %. Bei einem Abstand von Z = 4 mm wird der Leistungspegel von 500 mW nicht mehr erreicht, aber die Kommunikation bleibt stabil, während der Wirkungsgrad deutlich auf 11 % fällt. In einem Abstand von Z = 6 mm schlägt die Kommunikation fehl. Bis zu einem Abstand von Z = 3 mm und einem Antennenversatz von bis zu X = 2 mm erreicht der Leistungspegel 500 mW, die Kommunikation ist stabil, während der Wirkungsgrad von 44 % bei einem X-Versatz von 0 mm auf 27 % bei einem Versatz von 2 mm sinkt.

Parameter	Qi-Systeme	NFC-System
Durchmesser und Volumen der Sendeantenne	10 mm; 110 mm³	10 mm; 22 mm³
Durchmesser und Volumen der Empfangsantenne	15 mm; 405 mm³	15 mm; 68 mm³
Maximaler Z-Abstand für 500 mW	3 mm	5 mm
Datenrate (Tx → Rx; Rx → Tx)	0,5 kb/s; 2 kb/s	106 kb/s; 106 kb/s

Tabelle 4: Vergleich der wichtigsten Leistungsparameter für das Laden unter Qi und NFC.

Im Allgemeinen bietet NFC also einen deutlich höheren Ladewirkungsgrad, stabilere Kommunikation und eine Leistung von 500 mW über einem größeren Arbeitsraum. Tabelle 3 zeigt, dass sowohl die Sende- als auch Empfangsantenne bei der NFC-Lösung wesentlich kleiner ist als bei der Qi-Lösung. Die Kommunikationsgeschwindigkeit des NFC-Datenkanals ist mehr als 50-mal schneller als bei Qi und behält die Geschwindigkeit von 106 kb/s in beide Richtungen bei.