Schnelle und preisgünstige Ausrüstung kleiner, gekapselter Geräte mit der Fähigkeit zum kabellosen Laden

Die steigende Nachfrage nach kleinen, gekapselten drahtlosen Geräten macht effektivere Ladelösungen nötig. Herkömmliche Ladeverfahren erweisen sich in der Benutzung als unbefriedigend, stellen bei kleinen Geräten eine Herausforderung dar und sind nicht für raue Umgebungen geeignet. Obwohl das kabellose Laden viele dieser Probleme angeht, werden die verfügbaren Lösungen den Anforderungen an die Integration, den Leistungsbedarf und die Effizienz dieser Geräte nicht gerecht.

In diesem Artikel wird der Bedarf an verbesserten Ladelösungen für kleine, gekapselte Geräte erörtert. Anschließend wird eine vielseitige kabellose Ladelösung von Analog Devices vorgestellt und gezeigt, wie sich damit auf einfache Weise ein geeignetes, sicheres und effizientes Laden realisieren lässt.

Wachsende Nachfrage nach effektiveren Ladelösungen

Die steigende Nachfrage nach kompakterer tragbarer Elektronik, wie z. B. Headsets, In-Ear-Geräte und Fitnessgeräte, führt zu einem wachsenden Bedarf an Ladelösungen, die den Größenbeschränkungen dieser Anwendungen gerecht werden und die Integrität der gekapselten Einheiten in verschiedenen Einsatzumgebungen gewährleisten. Herkömmliche Ladeverfahren, die auf physischen Steckverbindern beruhen, werden diesen Anforderungen aufgrund ihrer Anfälligkeit für Verschleiß und Umwelteinflüsse wie Staub und Feuchtigkeit nicht gerecht. Infolgedessen sind kabellose Ladetechnologien nicht nur ein neues Feature, sondern eine grundlegende Voraussetzung für diese Klasse von Produkten geworden.

Da keine externen Ladeanschlüsse benötigt werden, bieten kabellose Energieübertragungssysteme (wireless power transfer, WPT) eine potenzielle Lösung, indem sie über einen Luftspalt zwischen einer Ladequelle und einem umschlossenen Gerät arbeiten. In der Praxis ist die Entwicklung effektiver WPT-Lösungen jedoch mit zahlreichen technischen Herausforderungen verbunden, darunter die Effizienz der Leistungsübertragung, die Fehlerbehandlung und das Batterie- und Wärmemanagement. Die mit den Geräten verknüpften Platzbeschränkungen erschweren die Angelegenheit weiter.

Hochintegrierte Geräte vereinfachen die WPT-Entwicklung

Der LTC4124, ein Li-Ionen-Ladegerät zum kabellosen Laden, und der LTC4125, ein Leistungssender zur kabellosen Übertragung von Leistung, wurden von Analog Devices entwickelt, um die Entwicklung dabei zu unterstützen, die hohen Anforderungen an Integration, Leistung und Wirkungsgrad zu erfüllen, die für kleine, gekapselte Geräte gelten.

Der LTC4124 ist in einem nur 2 x 2 Millimeter (mm) großen LQFN-Gehäuse mit einer Höhe von 0,74 mm untergebracht und verfügt über alle Funktionen, die zum Laden einer Li-Ionen-Batterie mit einem wählbaren Ladestrom von bis zu 100 Milliampere (mA) erforderlich sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: Mit seinen umfassenden Funktionen vereinfacht das Li-Ionen-Ladegerät LTC4124 zum kabellosen Laden die WPT-Implementierung. (Bildquelle: Analog Devices)

Mit seiner umfassenden, integrierten Ladefunktion kann das Gerät als eigenständiges Li-Ionen-Batterieladegerät ohne zusätzliche Komponenten eingesetzt werden. Die lineare Batterieladefunktion mit CC/CV (Konstantstrom/Konstantspannung), die über einen Stift programmierbar ist, deckt alle Aspekte ab, einschließlich Sicherheitstimer, Abschlusswiderstand, Erkennung mangelhafter Batterien und automatischer Wiederaufladung.

Die Trennfunktion des LTC4124 für entladene Batterie schützt diese bei einem sehr niedrigen Ladezustand vor weiterer Entladung, die die Lebensdauer der Batterien verringern kann. Die Trennfunktion schaltet den LTC4124 ab, wenn keine Eingangsleistung zur Verfügung steht und die Spannung der Batterie unter einen bestimmten Mindestwert fällt. Beim Abschalten öffnet das Gerät einen Trennschalter (M3 in Abbildung 1), der eine weitere Entladung der Batterie verhindert. Mit dem Transportmodus verhindert der LTC4124 die Entladung der Batterie, solange keine Leistung an seinen ACIN- oder DCIN-Stift angelegt wird.

Außerdem kann der LTC4124 so konfiguriert werden, dass er den Ladevorgang verhindert, wenn die Temperatur der Batterie zu hoch ist, und er kann den Ladestatus mithilfe eines NTC-Thermistors (NTC: negative temperature coefficient - negativer Temperaturkoeffizient) und einer Leuchtdiode (light emitting diode, LED) visuell anzeigen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Mit nur zwei Komponenten, einer LED und einem NTC-Widerstand, zusätzlich zum Ladegerät LTC4124 lässt sich ein komplettes temperaturgeregeltes Ladegerät mit visueller Ladezustandsanzeige realisieren. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Verbindung eines parallelen externen Schwingkreises, bestehend aus einer Induktivität und einem Kondensator (LC), mit dem ACIN-Stift erlaubt die einfache Erweiterung dieses Basisdesign, um die Empfängerseite eines WPT-Systems zu realisieren. In Kombination mit dem LTC4125 von Analog Devices ergibt sich so eine komplette 100-mA-WPT-Lösung (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der Sender LTC4125 und das Ladegerät LTC4124 bieten eine kompakte 100-mA-WPT-Lösung. (Bildquelle: Analog Devices)

Wie der LTC4124 ist auch der LTC4125 eine hochintegrierte Komponente, die speziell für WPT-Anwendungen entwickelt wurde. Er wird in einem QFN-Gehäuse mit den Abmessungen 5 x 4 x 0,75 mm geliefert und kann bei einer Versorgung von 3 bis 5 Volt über 5 Watt ausgeben (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Sender LTC4125 von Analog Devices zur kabellosen Leistungsübertragung umfasst alle Funktionen, die erforderlich sind, um mehr als 5 Watt an einen korrekt abgestimmten Empfänger zu liefern. (Bildquelle: Analog Devices)

Basis dieser Komponente bildet die proprietäre AutoResonant-Technologie von Analog Devices, die automatisch die Resonanzfrequenz des an ihren Schaltstiften (SW1 und SW2) angeschlossenen parallelen LC-Kreises erkennt und sich angleicht. Neben der Optimierung der Sendeleistung spielt die AutoResonant-Technologie auch eine entscheidende Rolle bei der Fremdkörpererkennung. Wenn sich ein Fremdkörper in der Nähe der Sendespule befindet, nimmt die effektive Induktivität der Spule deutlich ab und die Treiberfrequenz des LTC4125 steigt. Wie unten ausgeführt, wird dieser Anstieg der Treiberfrequenz als Hinweis auf das Vorhandensein eines Fremdkörpers genutzt.

WPT optimieren

Während des WPT-Betriebs richtet der integrierte Manager für die kabellose Leistungsübertragung des Empfängers im LTC4124 die Wechselspannung aus dem wechselnden Magnetfeld, das von der Sendespule der Senderhälfte eines Sender-Empfänger-Paars in einem WPT-System erzeugt wird, gleich. Mithilfe des integrierten Komparators (CP1) und der Schalter (SW1 und SW2) hält der Manager für die kabellose Leistungsübertagung im LTC4124 die gleichgerichtete Spannung am V_CC-Stift auf einem Pegel knapp über der Batteriespannung (V_BATT), indem er den Schwingkreis auf Masse leitet, wenn er mehr Energie erhält, als zum Laden der Batterie erforderlich ist.

Allerdings kann die von diesem Shunt-Mechanismus abgeleitete Leistung die Wärmebelastung des Geräts erhöhen. Der Sender LTC4125 bietet einen direkteren Mechanismus zur Reduzierung der Energie, die zum Empfänger gelangt.

Während die AutoResonant-Technologie die Leistungsabgabe optimiert, verfügt der LTC4125 über eine Funktion zur Ermittlung der optimalen Leistung, die die Ausgangsleistung des Senders überwacht und in einer kontinuierlichen Folge von Ermittlungszyklen an die Empfängerlast anpasst. Pro Zyklus erhöht der LTC4125 schrittweise die Übertragungsleistung, indem er die Impulsbreite der Spannung (V_PTH) erhöht. Diese ist proportional zur Breite der Impulse, die an die Treiberbrücke für den Spulenstrom geliefert werden. Eine signifikante Änderung der Schwingkreis-Rückkopplungsspannung (V_FB) zeigt an, dass die Sendeleistung ausreicht, um die Empfängerlast zu erreichen oder zu übertreffen, und der Ermittlungslauf stoppt bei der Spannung mit dieser Impulsbreite, wodurch der gewünschte Senderausgangsleistungspegel bis zum nächsten Ermittlungszyklus beibehalten wird (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Funktion zur Ermittlung der optimalen Leistung des Senders LTC4125 stimmt die Leistung auf die Empfängerlast ab, indem sie schrittweise den richtigen Ausgangspegel ermittelt. (Bildquelle: Analog Devices)

Die Funktion zur Ermittlung der optimalen Leistung des LTC4125 durchläuft in jedem Ermittlungszyklus einen festen Ablauf, bis sie eine gültige Abbruchbedingung oder einen von mehreren Fehlerzuständen erkennt (Abbildung 6).

Abbildung 6: Bei der Ermittlung der optimalen Leistung erhöht der Sender LTC4125 die Ausgangsleistung in mehreren Schritten, bis er einen gültigen Abbruchbedingungen oder einen von mehreren Fehlerbedingungen erkennt. (Bildquelle: Analog Devices)

In diesem Ablauf erkennt der LTC4125 mehrere vordefinierte, gültige Abbruchbedingungen, die der optimalen Sendeleistung entsprechen. Darüber hinaus können zwei programmierbare Abbruchbedingungen festgelegt werden, darunter die Eingangsstromschwelle (V_ITH) zur Begrenzung des Eingangsstroms und die Differenzkreis-Spannungsschwelle (DTH), um die Sendeleistung in Nutzungsszenarien zu optimieren, in denen die Sende- und Empfangsspule mangelhaft gekoppelt sind.

Der LTC1425 erkennt automatisch verschiedene Fehlerbedingungen, die die Sicherheit und den Wirkungsgrad der Leistungsübertragung beeinträchtigen können:

• Überschreitung des Grenzwerts für die Spulentemperatur, die über die am NTC-Eingangspin erfasste NTC-Spannung (V_NTC) bestimmt wird
• Überschreitung des maximalen Grenzwerts für die Schwingkreisspannung, die über die Spannung des FB-Pins V_FB>V_IN ermittelt wird
• Überschreitung des Grenzwerts für die Innentemperatur des Chips (in der Regel 150 °C)
• Überschreitung des Grenzwerts für die Frequenz, was durch eine Verringerung der Induktivität der Sendespule und einen damit verbundenen Anstieg der Treiberfrequenz auf das Vorhandensein eines Fremdkörpers hinweist
• Überschreitung des Eingangsstromgrenzwerts (ILIM)
• Beendigung des Ermittlungslaufes für die optimale Übertragungsleistung, ohne eine gültige Abbruchbedingung zu erkennen

Tritt einer dieser Fehlerzustände auf, unterbricht das Gerät die Energieversorgung bis zum nächsten Suchintervall.

In der Entwicklung arbeiten Funktionen wie die Ermittlung der optimalen Übertragungsleistung per AutoResonant-Technologie automatisch, abhängig von Abbruch- und Fehlerbedingungen. Obwohl die Grenzwerte für einige dieser Bedingungen im Gerät fest vorgegeben sind, bleibt dennoch eine beträchtliche Kontrolle über die verschiedenen Aspekte erhalten, die zur Bestimmung von Leistungseinstellungen, Abbruchbedingungen und Fehlerbedingungen verwendet werden.

Mit dem Demokit DC2770A-A-KIT und dem 100-mA-Demokit DC2770A-B-KIT von Analog Devices kann die Performance des Empfängers LTC4124 und des Senders LTC4125 beim Laden einer Li-Ionen-Batterie mit bis zu 100 mA schnell bewertet werden. Jedes Kit enthält ein LTC4125-basiertes Senderboard und ein LTC4124-basiertes Empfängerboard. Beide sind mit Drahtbrücken und Verbindungspunkten zur Einstellung der Leistungsmerkmale der Komponenten und zur Überwachung der Ergebnisse ausgestattet.

Fazit:

Der Trend zu kompakten, gekapselten Geräten erschwert die Entwicklung effektiver Methoden zum Laden der Batterien, auf die sie angewiesen sind. WPT bietet eine effektive Lösung, aber die Implementierung von effizienten Designs zum kabellosen Laden ist eine Herausforderung. Ein Empfänger und Sender von Analog Devices, die für diese Herausforderungen entwickelt wurden, vereinfachen die Implementierung von WPT in kleinen, gekapselten Geräten.