ANP027: Überlegungen zum Tausch von Ladespulen

ANWENDUNGSHINWEIS
Überlegungen zum Tausch von Ladespulen
für die drahtlose Energieübertragung
VON R AGHU N ARAYANAN
1. Einleitung ______________________
Drahtloses Aufladen findet gegenwärtig – vor allem bei
neueren technischen Geräten wie Smartphones, Tablets
oder Laptops – eine immer stärkere Verbreitung. Angesichts
der rasanten technischen Entwicklung in diesem Bereich
kann wohl davon ausgegangen werden, dass zukünftig
zahlreiche elektronische Endverbrauchergeräte drahtlos
aufgeladen oder betrieben werden. Die Anzahl der
Hersteller drahtloser Ladespulen und zugehöriger ReglerICs wird voraussichtlich ebenfalls zunehmen, um den
steigenden Bedarf aufseiten der Verbraucher zu decken.
Nun könnte man fragen, warum der Endverbrauchermarkt
für uns interessant sein sollte. Die meisten bekannten
Technologien wurden durch den Markt für elektronische
Konsumgüter vorangetrieben, und erst danach haben
Industrie und ähnliche Bereiche auf der Basis der
gemachten Erfahrungen die Entwicklungszeiten verkürzt.
Der Zweck des vorliegenden Dokuments besteht darin, eine
Methodik zum Tausch drahtloser Stromladespulen von
Würth Elektronik eiSos zu veranschaulichen, wie sie auf
einer Demoschaltung verbaut wurden, die auch die
Empfängersteuerung LTC4120 von Linear Technology
umfasst.
In Anbetracht des Bedarfs an drahtlosen Ladeanwendungen
bei verschiedenen tragbaren Geräten und zur Unterstützung
von Technikern bei der Entwicklung weiterer Endprodukte
mit
drahtloser
Ladefunktionalität
wurde
dieser
Anwendungshinweis verfasst. Er enthält Empfehlungen und
beschreibt Methoden zum Tausch drahtloser Ladespulen.
2. Das
Pri nzip
der
drahtlosen
Energi eübertragung ______________
Abbildung 1: Prinzip der drahtlosen
Energieübertragung
Damit
ein
drahtloses
Energieladesystem
effizient
funktionieren kann, müssen die Frequenzen von Sender
und Empfänger aufeinander abgestimmt werden. Für
unterschiedliche
Induktivitätswerte
bei
Ladeund
Koppelspule müssen weitere Bestandteile der Schaltung
getauscht werden, um dieselbe Schwingungsfrequenz zu
erhalten. Das vorliegende Dokument erläutert ferner den
einmaligen
Vorteil
der
Verwendung
drahtloser
Energieladespulen von Würth Elektronik.
3. WE Wireless Pow er-Ladespulen ___
Als Mitglied des Wireless Power Consortium (WPC) und der
Alliance for Wireless Power (A4WP), die jetzt unter dem
Namen „Rezence“ bekannt ist, hat Würth Elektronik eiSos
im Rahmen proprietärer Lösungen bereits verschiedene
drahtlose Sende- und Empfängerspulen entwickelt, die mit
dem Qi-Standard kompatibel sind. Nachfolgend abgebildet
sind einige drahtlose Sende- und Empfängerspulen.
Zur Übertragung von Energie von einem Sender an einen
Empfänger auf drahtlosem Wege wird ein Prinzip
eingesetzt, das mehr als ein Jahrhundert alt ist: die
Gegeninduktion. Dennoch zeigen neuere Entwicklungen,
dass, wenn zwei für minimale Verluste und Absorption
(hoher Q-Wert) ausgelegte Schwingkreise, die auf gleicher
Frequenz resonieren, in enge Nachbarschaft (d. h. in den
Nahfeldbereich) gebracht werden, Energie aufgrund
evaneszenter Wellenkopplung mit hoher Effizienz vom
Sender an den Empfänger übertragen wird.
Abbildung 2: Empfängerspulen von WE
23.02.2015b, RNar
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Überlegungen zum Tausch von Ladespulen
für die drahtlose Energieübertragung





Abbildung 3: Senderspulen von WE
Nachfolgend aufgeführt sind die zur Evaluierung in Betracht
gezogenen drahtlosen Sende- und Empfängerspulen von
Würth Elektronik eiSos.
Senderspulen
1.
2.
3.
4.
760 308 111
760 308 110
760 308 104 113
760 308 101 302
Empfängerspulen
1.
2.
760 308 201
760 308 101 303
4. Laderegler
f ür
die
drahtlose
Energi eübertragung ______________
Einstellbare Erhaltungsspannung: 3,5 V bis 11 V
Ladestrom: 50 mA bis 400 mA (programmierbar
über einzelnen Widerstand)
±1 % Genauigkeit bei der Rückführspannung
Ladestrom auf 5 % genau programmierbar
Kein Transformatorkern
Die drahtlose Demo-Senderschaltung DC1968A ist ein
einfacher
Sender,
der
unter
Verwendung
einer
stromgekoppelten astabilen Kippschaltung entwickelt wurde,
deren Schwingungsfrequenz durch einen Schwingkreis
festgelegt wird (siehe Abbildung 5: DC1968A, DemoSendekarte). Die hier festgelegte Schwingungsfrequenz
beträgt 130 kHz. Allerdings würde die Betriebsfrequenz
abhängig von der Last beim Empfänger und dem
Kopplungsfaktor zur Empfängerspule schwanken. Eine
andere Version des Senders, gefertigt von Power by Proxy,
bietet den zusätzlichen Vorteil der Erkennung fremder
Objekte und besitzt eine niedrige Standby-Leistung.
Mit der DHC-Funktion des LTC4120 wird die Frequenz
entsprechend den Leistungsanforderungen des Akkus
(Last)
entweder
nah
oder
entfernt
von
der
Schwingungsfrequenz des Senders festgelegt: Ist der
Kopplungsfaktor zwischen Sende- und Empfangsspule
hoch, dann wird die Frequenz so festgelegt, dass die
Energieübertragung begrenzt wird; ist der Kopplungsfaktor
niedrig, dann wird die Frequenz so eingestellt, dass die
Energieübertragung verstärkt wird. Das Merkmal des
fehlenden Transformatorkerns beim LTC4120 ermöglicht
eine galvanische Trennung ohne Transformatorkern.
Der für diese Evaluierung ausgewählte drahtlose Laderegler
ist der LTC4120 von Linear Technology, der in einem
einzigen Chip einen drahtlosen Energieempfänger und eine
Buck-Batterieladeeinheit (400 mA) integriert. Dieser Regler
wird für die Demoschaltung DC1967A verwendet. Die
Schwingfrequenz der Empfängerbaugruppe beträgt 127 kHz
bei vorhandener und 140 kHz bei fehlender Abstimmung.
Abbildung 4: DC1967A, Demo-Empfängerkarte zeigt die
Demoschaltung DC1967A.
Merkmale des LTC4120:


Mit der DHC-Funktion (Dynamic Harmonization
Control) wird das drahtlose Laden über einen
breiten Kopplungsbereich optimiert.
Breiter Eingangsspannungsbereich: 4,3 V bis 40 V
23.02.2015b, RNar
Abbildung 4: DC1967A, Demo-Empfängerkarte mit WEEmpfängerspule 760308101303
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für die drahtlose Energieübertragung
Abbildung 5: DC1968A, Demo-Sendekarte mit WE-Senderspule 760 308 101 302
5. Drahtlosspul en von Würth Elektroni k und ihre Spezifikationen _____________
Die für die vorliegende Evaluierung ausgewählten Drahtlosspulen sind in Abschnitt 3 aufgeführt. Die nachfolgend
aufgeführte grobe Zusammenfassung der Spezifikationen soll als Grundlage für weitere Berechnungen dienen.
5.1.
Senderspulen
Teile-Nr.:
Induktivität
DCR
Q
Größe
Nennstrom bei
40 °C
760 308 111
6,3 µH
17 mΩ
80
5353
13 A
760 308 110
24 µH
7 mΩ
180
5353
6A
760 308 104 113
12 µH
60 mΩ
120
6052
6A
760 308 101 302
5,3 µH
33 mΩ
100
Ø50
6A
Tabelle 1: Senderspulen im Überblick
5.2.
Empfängerspulen
Teile-Nr.:
Induktivität
DCR
Q
Größe
Nennstrom bei
40 °C
760 308 201
10 µH
160 mΩ
50
3737
4,5 A
760 308 101 303
47 µH
460 mΩ
25
Ø26
1,4 A
Tabelle 2: Empfängerspulen im Überblick
6. Wesentliche Parameter ___________
Es ist vor allem wichtig, Betrieb und Merkmale des
drahtlosen Ladereglers LTC4120 und die Spezifikationen
der Spulen nachzuvollziehen, die in die Demoschaltungen
integriert werden sollen. Im Abschnitt 3 ist eine Liste
drahtloser Sende- und Empfängerspulen aufgeführt, die für
23.02.2015b, RNar
die Evaluierung der Demo-Baugruppen DC1968A bzw.
DC1967A in Betracht gezogen werden. Der obige
Abschnitt 4 erläutert kurz die Funktionen und Merkmale der
Demo-Baugruppe. Die Senderspule wird durch eine
stromgekoppelte Quelle gespeist, damit vom Sender ein
gutes sinusförmiges Signal übertragen wird.
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für die drahtlose Energieübertragung
Wie sich dem Datenblatt zum LTC4120 entnehmen lässt,
sollten Lx (Induktivität der Senderspule) und Lr (Induktivität
der Empfängerspule) idealerweise so ausgewählt werden,
dass ein Windungsverhältnis von 1:3 erzielt wird. Die
Induktivitätswerte können so ausgewählt werden, dass die
erforderliche Spule nicht zu groß ist (falls die Kapazität des
Kondensators am sendeseitigen Ende zu niedrig ist) und
der Kreisstrom am sendeseitigen Ende nicht zu hoch ist
(falls die Induktivität der Primärseite zu niedrig ist). Die für
die korrekte Auswahl von Schwingungsinduktivitäten und
Kondensatoren erforderliche Rückwärtsanalyse ist im
Folgenden beschrieben.
Hinweis: Die in DC1969A verwendeten Bauteile sind
parallel geschaltet und weisen 1,8 nF bzw. 4,7 nF auf. Bei
diesem Wert beläuft sich die Frequenz auf 131 kHz.
6.2.
Senderspule und Frequenz
Nachdem wir nun die Empfängerspule mit einem
Induktivitätswert von 47 µH ausgewählt haben, lässt sich die
Senderspule entsprechend auswählen, um der im
Datenblatt zum LTC4120 beschriebenen Empfehlung eines
Windungsverhältnisses von 1:3 nachzukommen.
=
6.1.
Empfängerspule und Frequenz
Die Spule auf der Empfängerseite, die gegenwärtig beim
DC1969A eingesetzt wird, hat eine Induktivität von 47 µH.
Es handelt sich dabei um eine eingebettete 4-Schicht-PCBSpule mit Ferritbasis. Würth Elektronik eiSos bietet eine
Spule an, die die PCB-Spezifikation erheblich überschreitet
und so eine deutlich höhere Effizienz bietet. Die
Teilenummer lautet 760 308 101 303, die Kurzspezifikation
entnehmen Sie Tabelle 2. Eine ausführliche Spezifikation
finden Sie im Datenblatt, das Sie unter www.weonline.com\wirelesspower herunterladen können.
Die Empfängerfrequenz ändert sich von 127 kHz in
142 kHz. Unter abgestimmten Bedingungen beeinträchtigen
sowohl C2P als auch C2S die Schwingungsfrequenz, unter
nicht abgestimmten Bedingungen würde dies nur C2S tun.
 ≅
1
2 ∗  ∗ √ ∗ (2 + 2)
 ≅
1
2 ∗  ∗ √ ∗ 2


=√


32 = 9 =
47 µ

 = 5,2
Für die obige Anforderung bietet Würth Elektronik eiSos das
Bauteil 760 308 101 302 an. Die wichtigsten Parameter
lauten: 5,3 µH, 6 A, 33 mΩ, Q = 100.
Frequenz der angestrebten Schwingung
0 ≈
1
2 ∗  ∗ √ ∗ 
= 130 
Bei Berechnung mit der obigen Formel für die
Schwingungsfrequenz des Senders (130 kHz) ergibt sich als
erforderlicher Wert für Cx 283 nF. Da es für diesen Wert
kein Standardbauteil gibt, wählen wir 180 nF bzw. 100 nF
aus, um eine möglichst starke Annäherung an die
vorgesehene Betriebsfrequenz zu erzielen. Diese beiden
Kondensatoren nutzen denselben Kreisstrom. Genauere
Werte lassen sich auswählen, um die gewünschte
Schwingungsfrequenz exakt zu erzielen.
Bei Berechnung mit der obigen Formel für die
Schwingungsfrequenz
unter
nicht
abgestimmten
Bedingungen (FD = 142 kHz) ergibt sich als erforderliche
Kapazität C2S = 26,7 nF.
Aus diesem Grund beträgt die tatsächliche Kapazität
280 nF. Die zugehörige Schwingungsfrequenz beläuft sich
auf:
*Durch Parallelschaltung von 22 nF und 4,7 nF ergibt sich
die erforderliche Kapazität.
F0 = 130,71 kHz
**Die Frequenz 142 kHz unter nicht abgestimmten
Bedingungen (anstelle von 140 kHz) ergibt sich aus der
Begrenzung der verfügbaren Kapazität.
*F0 ist 0,5 % höher als die ursprüngliche erforderliche
Frequenz.
Ähnlich ergibt sich für die Schwingungsfrequenz unter
abgestimmten Bedingungen (FT = 127 kHz) für die
erforderliche Kapazität:
Allerdings beläuft sich der ausgewählte Kapazitätswert beim
DC1969A auf 2 × 0,15 µF.
C2P = 6,75 nF,
*Der nächstgelegene Wert für diese Kapazität beträgt
6,8 nF.
Teilenummer: ECHU1H154GX9
Beim
obigen
Wert
beläuft
sich
die
Schwingungsfrequenz auf 126.3 kHz (unbelastet).
23.02.2015b, RNar
neue
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für die drahtlose Energieübertragung
6.3.
Bedeutung
des
verhältnisses (n)
Windungs -
Das für DC1967A empfohlene Windungsverhältnis zwischen
Sende- und Empfängerspule beträgt 1:3. Hier wurden
verschiedene Bedingungen ausgewählt, bei denen das
Erfüllen dieser Anforderung schwierig ist. Welche Wirkung
hätte dies auf die Leistung? Die Schaltung wurde so
modifiziert, dass sie mehr Strom von der Spule bezieht.
Hierzu wurde die Ausgangsspannung auf 8,23 V festgelegt.
Gleichzeitig jedoch stellt die Schaltung den größtmöglichen
Strom bereit und behält die maximale Effizienz bei.
VOUTPUT = 8,23 V
IOUTPUT = 0,05 A
PMAX_BAT = 1,12W
Wirkungsgrad
(ᶯ) = (_ ∗  )/( ∗  ) = 76,2%
Bed ing ung 3
Tx: 760308110 (24 µH, 7 mΩ, Q-180, 6 A)
Rx: 760308101303 (47 µH, 460 mΩ, Q-25, 1,4 A)
47 µ
=√
24 µ
Bed ing ung 1
Tx: 760308101302 (5,3 µH, 33 mΩ, Q: 100, 6 A)
 = 1,4
Rx: 760308101303 (47 µH, 460 mΩ, Q: 25, 1,4 A)
Messergebnisse:
47 µ
=√
5,3 µ
*VCC = 5V
*IINPUT = 0,1 A
*VIN = 11,65 V
=3
*IIN = 0,025 A
Messergebnisse:
VOUTPUT = 8,23 V
*VCC = 5 V
IOUTPUT = 0,013 A
*IINPUT = 0,973 A
PMAX_IN = 0,5 W
*VIN_LR = 15,04 V
Wirkungsgrad
*IIN = 0,239 A
(ᶯ) = (_ ∗  )/( ∗  ) = 58,3 %
VBAT = 8,21 V
Bed ing ung 4
IBAT = 0,275 A
Tx: WT-505060-8K2-LT (5,0 µH, 30,3 mΩ, Q-80, X A)
PMAX_BAT = 4,865 W
Rx: 760308101303 (47 µH, 460 mΩ, Q-25, 1,4 A)
Wirkungsgrad
(ᶯ) = (_ ∗  )/( ∗  ) = 73,9 %
47 µ
=√
5 µ
Bed ing ung 2
 = 3,07
Tx: 760308104113 (12 µH, 60 mΩ, Q-120, 7 A)
Rx: 760308101303 (47 µH, 460 mΩ, Q-25, 1,4 A)
47 µ
=√
12 µ
Messergebnisse:
*VCC = 5 V
*IINPUT = 1,159 A
*VIN = 13,16 V
 = 1,97 ≈ 2
*IIN = 0,314 A
VOUTPUT = 8,21 V
Messergebnisse:
IOUTPUT = 0,275 A
*VCC = 5 V
PMAX_BAT = 5,795 W
*IINPUT = 0,224 A
*VIN = 11,85 V
Wirkungsgrad
(ᶯ) = (_ ∗  )/( ∗  ) = 71,3%
*IIN = 0,072 A
Hinweis:
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für die drahtlose Energieübertragung
*VIN = Spannung am Prüfpunkt VIN des DC1967A
*IIN = von der Empfängerspule abgegebener Strom
*VCC = Eingangsspannung an der Senderbaugruppe DC1968A
*IINPUT = von der Spannungsquelle VCC abgegebener Strom
Oszillogramm Aufnahmen
Die nachfolgenden Oszillogramm Aufnahmen beziehen sich auf die oben beschriebenen jeweiligen Tests. In den
Oszillogrammen bezeichnet Ch1 das gleichgerichtete empfangene Signal, Ch2 ist kein Signal, Ch3 ist das Empfängersignal
und Ch4 der gleichgerichtete Empfängerstrom.
6a. Bedingung 1 – Tx: WE 760308101302 (L-5,3 µH)
6b. Bedingung 2 – Tx: WE 760308104113 (L-12 µH)
6c. Bedingung 3 – Tx: WE 760308110 (L-24 µH)
6d. Bedingung 4 – Tx: TDK WT-505060-8K2-LT (L-5,0 µH)
Abbildung 6: Oszillogramme für unterschiedliche Testbedingungen
Durch Analyse dieser Signale lässt sich feststellen, dass
sich mit Bedingung 1 die beste Leistung erzielen lässt. Die
betrachteten Kriterien sind dabei der Wirkungsgrad der
Spule und die Fähigkeit zur Unterstützung des maximalen
Laststroms bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer
möglichst hohen Spannung am empfängerseitigen Ende. Es
23.02.2015b, RNar
lässt sich erkennen, dass die Energieübertragungsleistung
besser ist, wenn das Windungsverhältnis der Spule Tx zur
Spule Rx 1:3 beträgt – ein niedrigeres Windungsverhältnis
hat offenbar eine Abschwächung der Signalübertragung auf
Empfängerseite zur Folge, weswegen kein ausreichend
hoher Ladestrom erzielt werden kann. Dies ist bei den
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für die drahtlose Energieübertragung
Bedingungen 2 und 3 der Fall, wo von den Spulen nicht
mehr als 1,895 W bzw. 1,18 W unterstützt werden.
Deswegen ist das Windungsverhältnis von 1:3 zwischen
Sender und Empfänger wichtig, entbindet aber nicht von der
Auswahl einer Ferritbasis geeigneter Größe, Form und
Stärke und der Anordnung der Wicklung auf der Ferritbasis.
6.4.
Kreisstrom
Der Kreisstrom im LC-Kreis der Primär- und Sekundärspule
muss für einen zuverlässigen Betrieb der Schaltung
geschätzt werden. Die geschätzte Spannung in der
Primärspule beträgt:
 −  = 2 ∗  ∗ 
 −  = 2 ∗ 3,14 ∗ 5
 −  = 31,4 
Deswegen gilt:
 = 15,7 
Der Blindwiderstand des 0,3-µF-Kondensators beläuft sich
bei einer Frequenz von 126,3 kHz auf:
 =
1
2
 = 3,74 Ω
Der oben berechnete Wert Xc hat eine Kreisstromstärke in
einer Größenordnung von ca. 4,2 A (Spitze) bzw. ca. 3 A
(effektiv) zur Folge.
Aus
diesem
Grund
sind
0,15-µF-Kondensatoren
auszuwählen, die bei 126,3 kHz einen zulässigen
Effektivstrom von mindestens 1,5 A bieten. Verwendet
wurde der Kondensator ECHU1H154GX9 mit einem
Effektivstrom von ca. 1,5 A. Ebenso unterscheidet sich der
Kreisstrom bei verschiedenen Prüfbedingungen; es ergeben
sich folgende Werte:
i.
ii.
iii.
iv.
6.5.
Bedingung 1: 2,07 A effektiv
Bedingung 2: 0,931 A effektiv
Bedingung 3: 0,459 A effektiv
Bedingung 4: 2,14 A effektiv
Eingangsstrom
Der Betrag der Eingangsstromaufnahme zur Erzeugung
eines ausreichend großen Sekundärstroms ist eine Funktion
des Magnetfeldes, das an der Primärspule generiert wird.
Die Größenordnung des Magnetfeldes ist direkt proportional
zum Strom der Senderspule und ein Produkt von
Eingangsstrom und Q-Wert.
Mitbewerbern der höchste verfügbare Wert. Der zur
Versorgung mit dem Laststrom erforderliche Eingangsstrom
kann durch Verwendung einer Senderspule mit einem
möglichst
hohen
Q-Wert
und
des
optimierten
Windungsverhältnisses optimiert oder minimiert werden. Bei
einem hohen Windungsverhältnis wird durch die DHCFunktion sichergestellt, dass nicht zu viel Eingangsstrom an
die Empfängerseite übertragen wird. Betrachten Sie in
diesem Zusammenhang auch die Prüfbedingungen 1 und 2,
wobei das empfangene Signal bei Bedingung 1 stärker ist
und die DHC-Funktion aktiv die an den DC/DC-Wandler
angelegte Spannung begrenzt (das Signal Ch2 verzeichnet
in jedem Zyklus einen abrupten Abfall, wenn der DHCKontakt an Masse gelegt wird). Im Vergleich dazu wird bei
Bedingung 2, bei der das Windungsverhältnis lediglich 1:2
beträgt, die Bedingung VIN > V DHC nicht erfüllt, wenn der
DHC-Kontakt an Masse gelegt wird. Aus diesem Grund ist
der Wirkungsgrad der Energieübertragung der höchste bei
den vier Testbedingungen.
6.6.
RDC
Der RDC der Sende- und Empfangsspulen ist direkt
proportional zum Wirkverlust, weswegen ein niedrigerer RDC
der Spulen zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrads zu
bevorzugen ist.
Der Widerstand der Sekundärspule wirkt sich auf deren
Wirkungsgrad aus, der wie folgt festgelegt ist:

2 + 
Der RDC der Senderspule 760 308 101 302 von Würth
Elektronik eiSos beläuft sich auf 33 mΩ bei einem
Effektivstrom von 2,2 A.
Es ergibt sich ein Leistungsverlust von I² · DCR = 0,16 W.
6.7.
Reflektierte Impedanz
Die Schwingungsfrequenzen der LC-Kreise von Sende- und
Empfängerseite ändern sich je nach belastetem oder
unbelastetem Zustand. Es ist wichtig zu verstehen, welchen
Einflüssen
die
reflektierte
Impedanz
in
einem
Schwingkopplungskreis ausgesetzt ist und welche Wirkung
die
reflektierte
Impedanz
ihrerseits
auf
die
Leistungsfähigkeit des Systems ausübt.
Durch welche Faktoren die reflektierte
beeinträchtigt wird, ist im Folgenden erklärt.
Impedanz
Β = Q · ILx
Aus diesem Grund ist bei der Auswahl der Primärspule
deren Q-Wert zu beachten. Diese Spule 760 308 101 302
von Würth Elektronik eiSos hat einen Q-Wert von 100. Dies
ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt im Vergleich zu den
23.02.2015b, RNar
Abbildung 7: Modell eines gekoppelten Kreises
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für die drahtlose Energieübertragung
Folgende Faktoren bestimmen den Spannungsabfall am
Sekundärkreis:

2 + 
6.8.
Abbildung 8: Gleichwertiges Primärmodell mit
reflektierter Impedanz
Die reflektierte Impedanz Zr lässt sich mit folgender
Gleichung ausdrücken:
Kirchhoffsche Gleichung zur Primärseite aus Abbildung 6
11 + 2 = 1
 Gleichung 1
Kirchhoffsche Gleichung
Lastabschaltung
bei
Berücksichtigung
der
1 + 22 = 0
2 =
−1
2
 Gleichung 2
Ersetzung des Werts I2 in Gleichung 1
 =
()2
1
= 1 −
1
2
Hierbei ist Zm = -jM.
M = gegenseitige Induktivität zwischen Primär- und
Sekundärseite
 = 1 −
2  2
2
Die DHC-Funktion
Durch die DHC-Funktion des LTC1967A wird die
Schwingungsfrequenz auf eine voreingestellte, nicht
abgestimmte Frequenz von 140 kHz verschoben, wenn die
Spulen einen besseren Kopplungsfaktor aufweisen, d. h. die
Spannung bei VIN größer als 14 V ist; ist der
Kopplungsfaktor der Spulen hingegen niedrig (VIN < 14 V),
dann erfolgt eine Abstimmung auf 127 kHz.
Deswegen ist es bei der Auswahl der Spule für einen
Sendekreis wichtig, auf eine Schwingungsfrequenz zu
achten, die höher ist als die im abgestimmten Zustand
eingestellte
Empfängerfrequenz.
Hierdurch
wird
sichergestellt, dass Sender und Empfänger bei gleicher
Frequenz schwingen und dieser Kreis als doppelt
abgestimmter Schwingkreis fungiert und der Chip folglich
die volle Energieübertragung ermöglicht.
Das nachfolgende Oszillogramm zeigt das Signal bei Ch1:
einen Rechteckimpuls im Bereich der Senderfrequenz.
Jedes Mal, wenn das Empfangssignal bei VIN höher ist als
die Spannung am DHC-Kontakt, wird der DHC-Kontakt an
Masse gelegt, damit sichergestellt ist, dass sich VIN (Ch3)
nicht noch weiter erhöht. Die Kurve von Ch2 zeigt das
Signal in der Empfängerwindung, Ch4 stellt den Strom
durch den Sender dar.
So lässt sich die reflektierte Impedanz im Kreis wie folgt
ausdrücken:
 2 2
2
Wenn der Sekundärkreis mit der gleichen Frequenz
schwingt wie der Primärkreis, wird nur die Resistanz, nicht
aber die Induktanz oder Reaktanz am Primärkreis reflektiert.
Die Resistanz des Sekundärkreises beträgt:
2 = 2 + 
Daraus ergibt sich, wenn beide Kreise bei gleicher Frequenz
schwingen, folgende reflektierte Impedanz:
2  2
2 + 
Der Wirkungsgrad des Systems ist voraussichtlich höher,
wenn der Term ReZr größer ist.
 =
Allerdings wirkt sich auch eine erhebliche Abnahme des
Lastwiderstands RL auf den Wirkungsgrad des
Sekundärkreises aus, denn Rs ist vorherrschend bezogen
auf den Spannungsabfall.
23.02.2015b, RNar
Überprüfung der DHC-Funktion bei VIN > V am DHCKontakt
Abbildung 9: DHC-Funktionsprüfung
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Überlegungen zum Tausch von Ladespulen
für die drahtlose Energieübertragung
7. Fazit ___________________________
Eine stärkere Kopplung, ein niedrigerer physischer Abstand
zwischen Sender und Empfänger und ein höheres
Windungsverhältnis gewährleisten eine höhere Spannung
auf der Empfängerseite und damit einen höheren Wert für
VIN. Die DHC-Funktion begrenzt den Wert der an den DCDC-Wandler angelegten VIN und stellt damit sicher, dass
der Sender in einem weiten Betriebsspannungsbereich
betrieben werden kann. Das Experiment (Bedingung 2)
zeigt, dass der Wirkungsgrad höher ist, wenn die
Sinusförmigkeit des Empfangssignals stärker ausgeprägt
ist. Aus diesem Grund sollte, sofern die Anwendung einen
weiteren Eingangsspannungsbereich erforderlich macht, ein
höheres Windungsverhältnis (ca. 3) ausgewählt werden; ist
hingegen ein besserer Wirkungsgrad notwendig, dann wird
das optimale Windungsverhältnis (bei dem das
Empfangssignal möglichst sinusförmig ist) empfohlen.
Sende- und Empfangsspule müssen unter Beachtung allen
oben aufgeführter Parameter sorgfältig ausgewählt werden,
um die drahtlose Energieübertragung wahlweise mit einem
höheren
Wirkungsgrad
oder
einem
breiteren
Eingangsspannungsbereich für den Demoschaltkreis
DC1969A erzielen zu können. Die Effizienz der
Energieübertragung kann mithilfe verschiedener Sende- und
Empfängerspulen mit hohen Q-Werten gesteigert werden,
die von Würth Elektronik eiSos gefertigt werden.
8. Anhang
8.1.
Stückliste
Einige Bauteile wurden getauscht, um die Leistung der Kopplung und der Energieübertragung bei Windungsverhältnissen
von unter 3 zu prüfen. Details zu den geänderten Bauteilen sind nachfolgend angegeben:
Bezeichnung
Bedingung 1
Bedingung 2
Bedingung 3
Bedingung 4
Lx
760 308 101 302
760 308 104 113
760 308 110
WT-505060-8K2-LT
(5,3 µH; 33 mΩ; Q-100)
(12 µH; 60 mΩ; Q-120)
(24 µH; 7 mΩ; Q-180)
(5 µH; 30,3 mΩ; Q-80)
760 308 101 303
760 308 101 303
760 308 101 303
760 308 101 303
(47 µH; 460 mΩ; Q-25)
(47 µH; 460 mΩ; Q-25)
(47 µH; 460 mΩ; Q-25)
(47 µH; 460 mΩ; Q-25)
ECHU1H154GX9
ECHU1H154GX9
ECHU1H154GX9
ECHU1H154GX9
(PPS; 0,15 μF; 50 V)
(PPS; 0,15 μF; 50 V)
(PPS; 0,082 μF; 50 V)
(PPS; 0,15 μF; 50 V)
ECHU1H154GX9
Wird nicht verwendet
Wird nicht verwendet
ECHU1H154GX9
Lr
CX1
CX2
(PPS; 0,15μF; 50V)
(PPS; 0,15 μF; 50 V)
RFB1
2,0 mΩ
2,0 mΩ
2,0 mΩ
2,0 mΩ
RFB2
825 kΩ
825 kΩ
825 kΩ
825 kΩ
Tabelle 3: Stückliste
23.02.2015b, RNar
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ANWENDUNGSHINWEIS
Überlegungen zum Tausch von Ladespulen
für die drahtlose Energieübertragung
WICHTIGER HINWEIS
Der Anwendungshinweis basiert auf unserem aktuellen
Wissens- und Erfahrungsstand, dient als allgemeine
Information und ist keine Zusicherung der Würth Elektronik
eiSos GmbH & Co. KG zur Eignung des Produktes für
Kundenanwendungen. Der Anwendungshinweis kann ohne
Bekanntgabe verändert werden. Dieses Dokument und
Teile hiervon dürfen nicht ohne schriftliche Genehmigung
vervielfältigt oder kopiert werden.
Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG und seine Partnerund Tochtergesellschaften (nachfolgend gemeinsam als
„WE“ genannt) sind für eine anwendungsbezogene
Unterstützung jeglicher Art nicht haftbar. Kunden sind
berechtigt, die Unterstützung und Produktempfehlungen von
WE für eigene Anwendungen und Entwürfe zu nutzen. Die
Verantwortung für die Anwendbarkeit und die Verwendung
von WE-Produkten in einem bestimmten Entwurf trägt in
jedem Fall ausschließlich der Kunde. Aufgrund dieser
Tatsache ist es Aufgabe des Kunden, erforderlichenfalls
Untersuchungen anzustellen und zu entscheiden, ob das
Gerät mit den in der Produktspezifikation beschriebenen
spezifischen
Produktmerkmalen
für
die
jeweilige
Kundenanwendung zulässig und geeignet ist oder nicht.
Die technischen Daten sind im aktuellen Datenblatt zum
Produkt angegeben. Aus diesem Grund muss der Kunde die
Datenblätter verwenden und wird ausdrücklich auf die
Tatsache hingewiesen, dass er dafür Sorge zu tragen hat,
die Datenblätter auf Aktualität zu prüfen. Die aktuellen
Datenblätter
können
von
www.we-online.com
heruntergeladen
werden.
Der
Kunde
muss
produktspezifische Anmerkungen und Warnhinweise strikt
beachten. WE behält sich das Recht vor, an seinen
Produkten
und
Dienstleistungen
Korrekturen,
Modifikationen, Erweiterungen, Verbesserungen und
sonstige Änderungen vorzunehmen.
Lizenzen oder sonstige Rechte, gleich welcher Art,
insbesondere an Patenten, Gebrauchsmustern, Marken,
Urheber- oder sonstigen gewerblichen Schutzrechten
werden hierdurch weder eingeräumt noch ergibt sich
hieraus eine entsprechende Pflicht, derartige Rechte
einzuräumen. Durch Veröffentlichung von Informationen zu
Produkten oder Dienstleistungen Dritter gewährt WE weder
eine Lizenz zur Verwendung solcher Produkte oder
Dienstleistungen noch eine Garantie oder Billigung
derselben.
Die Verwendung von WE-Produkten in sicherheitskritischen
oder solchen Anwendungen, bei denen aufgrund eines
Produktausfalls sich schwere Personenschäden oder
Todesfällen ergeben können, sind unzulässig. Des Weiteren
sind WE-Produkte für den Einsatz in Bereichen wie
Militärtechnik, Luft- und Raumfahrt, Nuklearsteuerung,
Marine, Verkehrswesen (Steuerung von Kfz, Zügen oder
Schiffen), Verkehrssignalanlagen, Katastrophenschutz,
Medizintechnik, öffentlichen Informationsnetzwerken usw.
weder ausgelegt noch vorgesehen. Der Kunde muss WE
über die Absicht eines solchen Einsatzes vor Beginn der
Planungsphase
(Design-In-Phase)
informieren.
Bei
Kundenanwendungen, die ein Höchstmaß an Sicherheit
erfordern und die bei Fehlfunktionen oder Ausfall eines
elektronischen Bauteils Leib und Leben gefährden können,
muss der Kunde sicherstellen, dass er über das
erforderliche Fachwissen zu sicherheitstechnischen und
rechtlichen Auswirkungen seiner Anwendungen verfügt. Der
Kunde bestätig und erklärt sich damit einverstanden, dass
er ungeachtet aller anwendungsbezogenen Informationen
und Unterstützung, die ihm durch WE gewährt wird, die
Gesamtverantwortung für alle rechtlichen, gesetzlichen und
sicherheitsbezogenen Anforderungen im Zusammenhang
mit seinen Produkten und der Verwendung von WEProdukten in solchen sicherheitskritischen Anwendungen
trägt. Der Kunde hält WE schad- und klaglos bei allen
Schadensansprüchen,
die
durch
derartige
sicherheitskritische Kundenanwendungen entstanden sind.
NÜTZLICHE LINKS
Application Notes:
http://www.we-online.de/app-notes
Component Selector:
http://www.we-online.de/component-selector
Toolbox:
http://www.we-online.de/toolbox
Produkt Katalog:
http://katalog.we-online.de
KONTAKTINFORMATIONEN
Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG
Max-Eyth-Str. 1, 74638 Waldenburg, Germany
Tel.: +49 (0) 7942 / 945 – 0
Email: [email protected]
Web: http://www.we-online.de
23.02.2015b, RNar
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