Komponenten für das Design von drahtlosen Ladegeräten

Möchten Sie nicht, dass Ihre Kunden ein weiteres Kabel zu ihrer Sammlung hinzufügen? Fügen Sie Ihrer Konstruktion drahtlose Energieübertragung hinzu.

Neulich erhielt ich ein drahtloses Ladepad per Post von meiner alten Universität. Ich bin mir nicht sicher, warum sie sich entschieden haben, dies zu versenden, aber es ist ziemlich praktisch, um mein Telefon geladen zu halten, während ich während der Arbeit Podcasts höre. Es liefert gerade genug Energie, um meinen Telefonakku konstant geladen zu halten, während ich Audio abspiele und gelegentlich Facebook überprüfe. Die Physik, die diese Systeme steuert, ist leicht zu verstehen, und mit der Anzahl der verfügbaren Komponenten auf dem Markt, sind sie auch leicht zu bauen.

Drahtlose Energieübertragung geht über die bloße Bequemlichkeit hinaus, Ihr Telefon während der Arbeit geladen zu halten. Umgebungen, die mit drahtlosen IoT-Produkten vollgepackt sind, benötigen eine Möglichkeit, die Lebensdauer so lange wie möglich ohne manuellen Batteriewechsel zu verlängern. Drahtlose Energieübertragung ist eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, ohne einen Techniker herumschicken zu müssen, um Batterien zu wechseln. Wenn Sie sich für drahtlose Energieübertragung interessieren, hier ist, was Sie wissen müssen und einige Optionen für Komponenten, die Sie auf dem Markt finden werden.

Arten der drahtlosen Energieübertragung

Drahtlose Energieübertragung erfolgt in zwei möglichen Modi: induktive Kopplung und resonante induktive Ladung. Beide Methoden sind Nahfeldmethoden, d.h., das zu ladende Gerät muss dem Ladegerät ziemlich nahe sein. Die meisten drahtlosen Ladesysteme geben einen Bereich von weniger als 50 mm an, und das Platzieren des Empfangsgeräts näher am Ladegerät ermöglicht ein schnelleres Laden.

Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht in Bezug auf die Abstimmung. Bei einem Ladegerät mit induktiver Kopplung verwenden sowohl das sendende als auch das empfangende Gerät eine große Spule mit einer Induktivität im μH-Bereich. Die sendenden und empfangenden Spulen sind in der Regel so angeordnet, dass das empfangende Gerät die Spannung/den Strom nach oben oder unten anpasst, um im geeigneten Ladebereich für den Akku zu sein. Das Designziel ist es, die empfangene Spannung/den Strom so einzustellen, dass die Ladezeit minimiert wird, während Überladung vermieden wird, was die Akkulebensdauer verringert.

Bei einem resonanten induktiven Ladegerät wird ein Kondensator zusammen mit der Spule verwendet, um einen seriellen LC-Resonator zu erstellen. Die Resonanzfrequenz des LC-Kreises kann auf die Frequenz des empfangenen Signals abgestimmt werden, was den Strom im Empfänger maximiert. Dies kann mit einer Varaktordiode, einem kleinen Mikrocontroller und einem kleinen Strommessverstärker mit einer Rückkopplungsschleife erfolgen. Dies wird dann verwendet, um die Kapazität vom Varaktor innerhalb eines bestimmten Bereichs einzustellen.

Es gibt zwei Standardsätze für Produkte der drahtlosen Energieübertragung, wie vom Wireless Power Consortium (der „Qi“-Standard) und der Power Matter Alliance spezifiziert. Der Qi-Standard kann mit USB-PD kompatibel gemacht werden für Geräte, die normalerweise über ein Typ-C-Kabel geladen würden. Die untenstehende Tabelle fasst die von beiden Organisationen spezifizierten Gerätestandards zusammen.

Für die drahtlose Energieübertragung ohne Aufladung gelten dieselben Konzepte: Die Energie wird induktiv empfangen und stromabwärts gesendet, um das Gerät ohne Aufladung zu betreiben. Verwenden Sie einfach einen Standardregler ohne Batteriemanagementfunktionen, und Sie werden ein Gerät aus der Ferne mit Strom versorgen.

Komponenten für drahtlose Energieübertragung

Die unten gezeigten Komponenten können entweder für induktive Kopplung oder für magnetisch resonante induktive drahtlose Energieübertragungsmodi verwendet werden. Die benötigten Komponenten fallen in 3 Bereiche:

• Leistungsregelung und Batteriemanagement: Dies umfasst FETs für das Ein-/Ausschalten am Tx-Ende, einen Standardleistungsregler am Rx-Ende oder einen Regler mit Batteriemanagement am Rx-Ende.

• Übertragung und Empfang: Die Energie muss effizient mit Hochinduktivitätsspulen übertragen und empfangen werden; dann müssen Sie einen Kondensator oder Varaktordiode hinzufügen, um die Resonanzfrequenz auf die Tx-Frequenz abzustimmen.

• Gleichrichtung: Gleichstrom wird benötigt, um Batterien zu laden, daher wird ein kleiner Gleichrichter und Leistungskondensator benötigt, um das empfangene Signal in Gleichstrom umzuwandeln.

• Steuerung und Abstimmung: Sie möchten vielleicht die Einheit ein- oder ausschalten sowie ICs über Standard-Schnittstellen steuern.

Würth Elektronik, 760308103204

Die 760308103204 Rx-Ladespule von Würth Elektronik ist für eine Reihe von Anwendungen in größeren Geräten konzipiert. Diese Spule bietet eine flache Induktivität bis zu hohen Strömen (10 A) und hohen Schaltfrequenzen (~2 MHz), wie in den untenstehenden Grafiken gezeigt. Würth Elektronik bietet ähnliche Komponenten in drahtlosen Arrays sowohl für die Rx- als auch für die Tx-Seite eines drahtlosen Energieübertragungssystems an. Darüber hinaus bietet Würth Elektronik Spulen an, die drahtlose Energieübertragung und NFC-Empfang in einem einzigen Paket kombinieren.

Induktivität vs. Frequenz und Strom im 760308103204 von Würth Elektronik. Aus dem Datenblatt 760308103204.

Analog Devices, LTC4124

Wenn Sie nach einer kompakten Lösung für das Laden von Batterien mit geringer Kapazität in kleinen Wearables oder anderen Geräten mit geringem Stromverbrauch suchen, ist der LTC4124 von Analog Devices eine gute Wahl. Diese kleine SMD-Komponente bietet pin-selektierbare Spannungs- und Stromausgabe (bis zu 100 mA und maximal 4,35 V). Für das temperaturqualifizierte Laden enthält diese Komponente einen NTC-Widerstand-Eingang, der die Implementierung einer Steuerfunktion mit einem MCU überflüssig macht.

Schaltkreis für drahtloses Laden mit dem LTC4124 Wireless-Power-Transfer-Controller. Aus dem LTC4124 Datenblatt.

Infineon, BSC065N06LS5ATMA1

Der BSC065N06LS5ATMA1 N-Kanal-MOSFET von Infineon ist Teil der OptiMOS-Reihe von MOSFETs. Dieses Bauteil ist für 60 V Ausgang, niedrigen Durchlasswiderstand (6,5 mOhm) und 64 A Drainstrom ausgelegt. Der Logikpegel-Antrieb bedeutet, dass dieser MOSFET eine niedrige Gate-Schwellenspannung hat, was es ermöglicht, dieses Bauteil mit einem 5 V Ausgang von einem Mikrocontroller zu steuern. Das macht das Bauteil zu einem zentralen Bestandteil eines induktiven Kopplungs- oder resonanten induktiven drahtlosen Energieübertragungsschaltkreises. Das 8-Pin-SMD-Gehäuse ermöglicht es auch, dieses Bauteil leicht in eine kleine Leiterplatte zu integrieren.

Gehäuse- und Pin-Diagramm für den BSC065N06LS5ATMA1 MOSFET. Aus dem BSC065N06LS5ATMA1 Datenblatt.

Weitere Komponenten für drahtlose Energieübertragung

Für ein System zur drahtlosen Energieübertragung werden an den Tx- und Rx-Enden weitere Komponenten benötigt, um die Energieübertragung zu/von den Spulen zu maximieren, die Gleichstromausgabe zu konditionieren und die Abstimmung für resonante Energieübertragungsschaltkreise zu ermöglichen.

• MCU zur Abstimmung resonanter drahtloser Energieübertragungsschaltkreise

• Spannungsreglerkomponenten

• Varaktordioden zur Schaltkreisabstimmung

Ob Sie drahtlose Energieübertragungsfähigkeiten zu einem neuen mobilen Gerät hinzufügen möchten oder einen Energieüberträger entwerfen, Sie können die benötigten Komponenten mit den fortgeschrittenen Such- und Filterfunktionen in Octopart finden. Octopart bietet Ihnen eine Komplettlösung für die Beschaffung und das Lieferkettenmanagement für nahezu jedes neue elektronische System. Sehen Sie sich unsere Seite mit integrierten Schaltkreisen an, um mit der Suche nach den benötigten Komponenten zu beginnen.

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