Anpassung neuer Standards an die Wireless-Power-Revolution

Einführung

 Die Wireless-Power-Technologie ist ein wichtiger Wachstumsbereich in der Elektronikindustrie und bringt Verbesserungen für eine Vielzahl von Anwendungen. Sein Wachstum wird durch einen unstillbaren Appetit der Verbraucher auf batteriebetriebene tragbare elektronische Geräte sowie die Unbequemlichkeit, sie aufgeladen zu halten, vorangetrieben. Der Einsatz von tragbaren Geräten, die drahtlos aufgeladen werden können, hat enorm zugenommen, und da sich dieser Trend fortsetzt, wird drahtlose Energie zu einem Teil unseres täglichen Lebens und der Nutzungsgewohnheiten von tragbaren Geräten.

 Magnetische Induktion (MI) und Magnetresonanz (MR) sind die beiden vorherrschenden Technologien für die drahtlose Energieübertragung auf dem Verbrauchermarkt aufgrund entwickelter Standards, Miniaturisierung von Lösungen und Kostensenkungen. Aufgrund seiner engen magnetischen Kopplung bietet IM jetzt eine höhere Leistungsübertragung, ein einfacheres Design und einen höheren Wirkungsgrad, während RM eine größere Platzfreiheit, mehrere Empfängergeräte pro Sender und weniger Wärmeentwicklung an Metallobjekten in der Nähe bietet. Im IM-Bereich gibt es zwei vorherrschende Standards: das Wireless Power Consortium (WPC) mit seinem „Qi“-Standard und die Power Matters Alliance (PMA). Für Designer von IM-basierten tragbaren Geräten besteht das Problem, die Kompatibilität mit Qi oder PMA oder mit beiden Standards sicherzustellen. RM-Standards werden von der A4WP (Alliance for Wireless Power) dominiert. Produkte, die mit Qi- oder PMA-Standards kompatibel sind, sind bereits verfügbar, und Produkte, die auf A4WP basieren, werden voraussichtlich nächstes Jahr verfügbar sein. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Wireless-Power-Industrie und die Relevanz von IM- und MR-Technologien. Es wird auch erörtert, was Hersteller von IM-Leistungsempfängerchips tun können, um das Problem von zwei IM-Standards zu überwinden.

Eine sich schnell entwickelnde Welt der drahtlosen Stromversorgung 

 Kabelgebundene Verbindungen für Strom und Daten sind in vielen Bereichen unseres täglichen Privat- und Berufslebens ein unvermeidbares Ärgernis. Der drahtlose Zugriff auf Daten ist allgegenwärtig geworden, aber es gibt keine solche Einrichtung für den Zugriff auf Strom. Das Herumschleppen von sperrigen Ladegeräten, Kabeln und Adaptern sowie die Mühe, „öffentliche“ Steckdosen zu finden, um sie mit Strom zu versorgen, sind eine ständige Quelle von Irritationen für Reisende.

 Mobiltelefone werden am meisten davon profitieren, wenn sich das Ökosystem der drahtlosen Stromversorgung erweitert hat, und aus einer Reihe von Gründen. Große und helle Bildschirme, leistungsstarke Mehrkernprozessoren, die Reihe integrierter Funkgeräte, Anwendungen, die Echtzeitdaten benötigen, sowie neue biometrische Anwendungen haben dazu geführt, dass mehrmals täglich aufgeladen werden muss. All dies wird durch die Verbrauchernachfrage nach leichteren und dünneren Geräten ergänzt. Leider sind die Leistungsdichten von Li-Ionen-Akkus nicht im gleichen Maße gestiegen. Bedeutende Hersteller von tragbaren Geräten liefern bereits Qi-kompatible Mobiltelefone (der heute vorherrschende kabellose Ladestandard) als Reaktion auf die Kundennachfrage. Mobilfunkbetreiber sind auch motiviert, mobile Geräte geladen zu halten und Mobilfunkdaten zu verbrauchen, und treiben damit den Aufbau von Ökosystemen für die drahtlose Stromversorgung voran.

 Das kabellose Aufladen an jedem Ort durch einfaches Aufstellen des Geräts auf einer kabellosen Energieoberfläche erfordert die allgegenwärtige Verfügbarkeit von Senderterminals. Dieser Einsatz findet an mehreren Fronten statt, und es gibt jetzt Qi- und PMA-Senderterminals für Privathaushalte und Büros und in einer Vielzahl von Formaten. Qi-Sender sind in neueren Automodellen von Unternehmen wie Toyota und Chrysler erhältlich, und andere Hersteller und Modelle haben sie ins Auge gefasst, ebenso wie zahlreiche Kfz-Ersatzteillösungen, die ebenfalls erhältlich sind. PMA geht schnell Vereinbarungen mit Unternehmen ein, die Wert darin sehen, drahtlose Energieökosysteme und Smart Grids in ihren Restaurants, Verkaufsstellen, Hotels und anderen Standorten einzusetzen, um Kunden anzuziehen und eine weitere potenzielle Einnahmequelle zu generieren. Beispielsweise hat Starbucks im vergangenen Jahr das „Never PowerlessTM“-Programm mit Einrichtungen in Boston (USA) und später in der Region Silicon Valley gestartet; seine mittelfristigen Pläne sehen die Installation von mehr als 1 Million Ladepunkten allein in den USA vor[1]. 

 Mobilgeräte, die für die Unterstützung mehrerer drahtloser Energiestandards ausgelegt sind, werden am meisten von den Standards und den Ökosystemen der Rundfunkstationen profitieren. Diese sich schnell entwickelnde analoge und digitale Technologie, die von Unternehmen wie IDT eingeführt wurde, und die steigende Nachfrage nach drahtloser Stromversorgung werden in einem aktuellen Bericht von IMS Research hervorgehoben, demzufolge der Markt für drahtlose Stromversorgung in den kommenden Jahren voraussichtlich eine hohe Wachstumsrate von über 300 erreichen wird Millionen Einheiten im Jahr 2016 und erreichen 1.000 Millionen Einheiten im Jahr 2018. Dies stellt eine bemerkenswerte Wachstumsrate für einen Markt dar, der 2011 fast nicht existierte. [1]

Magnetinduktion (MI) und Magnetresonanztomographie (MRT)

 

 Die Magnetinduktionstechnologie (Qi und PMA) war die erste, die auf den Markt kam und dominiert den aufstrebenden Markt für drahtlose Energie. Die MRT (A4WP) bietet jedoch einige echte Vorteile gegenüber MI sowie einige Herausforderungen. Die höhere feste Betriebsfrequenz von A4WP von 6,78 MHz im Vergleich zu Qis 110–205 kHz-Bereich ermöglicht eine effizientere Leistungsübertragung mit weniger starren Kopplungsformaten (größere Positionsflexibilität), die gesetzlich für die Faraday-Induktivität patentiert sind. Höhere y-Frequenzen und höhere Spulenspannungen ermöglichen auch kleinere und dünnere Spulen, wodurch sie mechanisch einfacher in mobile Geräte eingebaut werden können. Ein weiterer Vorteil der höheren Betriebsfrequenz ist die geringere Wärmeentwicklung an Metallobjekten in der Nähe des Übertragungsanschlusses aufgrund geringerer Oberflächenwirbelströme. Dies bedeutet auch, dass parasitäre Metalle im geladenen Gerät (z. B. der Batterie) weniger wahrscheinlich Wärme ansammeln. Der A4WP-Standard verwendet Zwei-Wege-Out-of-Band-Bluetooth® Low Energy (BLE)-Signalisierung, um zu kommunizieren und den Strombedarf der zu ladenden Geräte zu regulieren. Im Gegensatz dazu verwenden Qi und PMA ein unidirektionales Inband-Lastmodulations-Kommunikationsverfahren, um die Informationen bezüglich Regulierungsinformationen an den Sender zu übermitteln. Das Qi-Verfahren ist einfach und kostengünstig, aber es kann nur einen einzelnen Empfänger ansteuern, ist auf niedrige Kommunikationsgeschwindigkeiten beschränkt und kann anfällig für systemgenerierte EMI sein.Die RM-Implementierung weist einige Schwierigkeiten auf, an denen gearbeitet wird optimierte Produktionslösungen für den Massenmarkt. Der MR-Empfänger verwendet einen LC-Schwingkreis mit hohem Q-Faktor, der direkt bei der Resonanzfrequenz arbeitet. Die Herausforderung besteht darin, den Schwingkreis bezüglich Temperatur und Spannung auf eine feste Resonanzfrequenz abzustimmen. Wenn es eine Variation erleidet, sinkt die Effizienz. IM-Standards sind einfacher zu implementieren, da sie immer oberhalb der Resonanzfrequenz arbeiten und daher keine High-Q-Schaltung oder präzise passive Komponenten erfordern. Die Kosten für Komponenten mit höherer Toleranz für die RM-Schaltung mit hohem Q werden jedoch durch die geringeren Kosten der Spule ausgeglichen. Die nicht abgeschirmte MR-Empfangsspule ist auch kleiner und verwendet einen feineren Anschlussdraht als die MR-Spule und sollte daher für diese kritische Komponente kostengünstiger sein.

 Elektromagnetische Strahlung, die von einem drahtlosen Stromversorgungssystem erzeugt wird, wird den Verbraucher beunruhigen, aber ihre erschöpfende Analyse würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Aus mechanischer Sicht ist IM ein eng gekoppeltes System, was bedeutet, dass die Sende- und Empfangsspulen direkt übereinander angeordnet sind, wodurch die Leistungsübertragung durch IM ermöglicht wird, und diese Anordnung ermöglicht die Verwendung von direkt Ferritschirm über und unter den Spulen. Diese Ferritabschirmung ist aus zwei Gründen wertvoll: Erstens verbessern sie den kreisförmigen Fluss der Magnetflusslinien, indem sie sie für eine bessere Kopplung nahe an den Spulen halten; Zweitens reduzieren die Abschirmungen die Menge an elektromagnetischer Strahlung, die von dem System ausgeht. RM ist ein weniger gekoppeltes System, was bedeutet, dass der Empfänger mehrere zehn Zentimeter vom Sender entfernt sein kann und die Ferritabschirmungen daher nicht die Vorteile der IM-Implementierung bieten. Die Strahlungswerte innerhalb sicherer Grenzen zu halten, ist Teil der technologischen Fortschritte, die den Zugang zur drahtlosen Energieübertragung auf dem Verbrauchermarkt ermöglichen.

Die kurzfristige Herausforderung der dualen Standards für IM

 

Kurzfristig besteht ein potenzielles Problem, das die Verbreitung von Matten, Tischen, Tresen und anderen Ladeflächen für öffentlich zugänglichen drahtlosen Strom an Orten wie Flughäfen, Cafeterias und Unterhaltungszentren verlangsamen könnte, in der Existenz zweier konkurrierender IM-Standards : Qi und PMA. Beide sind realisierbar und bieten eine zuverlässige Leistung; daher scheinen beide für die Installation an öffentlichen Orten als drahtlose Steckdosen geeignet zu sein. Theoretisch könnte dies dazu führen, dass Handset-Besitzer nach drahtlosen Stromzugangspunkten suchen müssen, die mit ihrem jeweiligen Handset kompatibel sind. Dies wird zweifellos zu Frustration bei den Verbrauchern und möglicherweise niedrigeren Akzeptanzraten führen. IDT ist ein Unternehmen, das drahtlose Stromversorgungslösungen entwickelt, das dieses Problem erkannt und angegangen ist, indem es drahtlose Leistungsempfänger-ICs entwickelt hat, die die Kompatibilitätsbarrieren zwischen Übertragungsstandards mit einer Single-Chip-Dual-Mode-Empfängerlösung beseitigen. IDT hat letztes Jahr die am besten integrierte Sender-IC-Lösung auf dem Markt eingeführt und dieses Jahr die erste Dual-Mode-Empfängerlösung vorgestellt. Diese Lösungen ermöglichen OEM-Herstellern von Mobilgeräten und Zubehör den Zugang zu einem breiteren Markt und sparen Geld, da sie nicht mehrere Produktversionen benötigen. OEM-Hersteller können jetzt eine einzige Stückliste verwenden und den Platzbedarf der Anwendung minimieren, indem sie ein einziges universelles Schaltungslayout verwenden.

Fazit

 Der Wireless-Power-Markt ist eine aufregende neue Technologie, die die Handy-Revolution antreibt, indem sie eine längere Laufzeit ermöglicht. 

 Das Aufladen des Akkus über produktspezifische Adapter und umständliche Kabel hat sich als umständlich und vielleicht als schwächstes Glied bei tragbaren Computern und Kommunikationsgeräten erwiesen. Heute, mit einem sich schnell entwickelnden drahtlosen Energie-Ökosystem, freuen wir uns auf den Tag, an dem wir unsere Ladegeräte und Kabel zu Hause lassen und sie letztendlich nicht mehr verwenden werden. RM- und IM-Technologien haben eine Zukunft vor sich, da beide einzigartige Eigenschaften haben und verschiedene drahtlose Energieanwendungen bedienen können. Für jede dieser Optionen gibt es einen gesunden Wettbewerb zwischen Standards, die Innovationen vorantreiben können, obwohl die Gefahr von Verwirrung und Frustration auf Seiten der Verbraucher besteht. Mit der Verfügbarkeit von Dual-Mode-Empfängertechnologie für IM, sodass tragbare Geräte nahtlos und automatisch mit unterschiedlichen drahtlosen Energiestandards arbeiten können, kann dieses Risiko eines komplizierten und unerwünschten Szenarios vermieden werden.