Wireless Charging: Bewertung der Standards für Next-Gen-Produkte

iQi Mobile - Wireless Charging for iPhone 5, 5s and 5c (September 2018).

Anonim

Von AJ ELJALLAD, Senior Manager, Wireless Segment
ON Halbleiter
www.onsemi.com
Drahtloses Laden entwickelt sich zu einer Funktion, die Benutzer von Smartphones, Tablets, Notebooks und Wearables als grundlegende Produktfunktion erwarten. Eine verbleibende Herausforderung besteht darin, dass, während diese Geräte nicht alle den gleichen Strombedarf haben, die Benutzer die Anzahl der benötigten drahtlosen Ladestationen begrenzen wollen - im Idealfall auf nur eine. Zu den Faktoren, die bei der Entwicklung einer Single-Station-Lösung berücksichtigt werden müssen, gehören die verschiedenen Standards, die sich herauskristallisiert haben. Dieser Artikel befasst sich mit diesen konkurrierenden Standards und der optimalen Kombination von Standard und Technologie.

Seit Jahren surfen mobile Gerätebenutzer im Web, telefonieren und erstellen Peer-to-Peer-Verbindungen - ohne physische Verbindung. Diese drahtlose Bequemlichkeit hat neue Anwendungen und Marktsektoren hervorgebracht. Die meisten Wireless-Benutzer sind jedoch nur zum Teil "drahtlos". Wenn es um das Aufladen geht, verbindet die große Mehrheit weiterhin Geräte mit einer Steckdose - mit einem Kabel.

Das Wachstum des kabellosen Ladens

Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens IHS (www.ihs.com) ist der Markt beträchtlich und wird bis Mitte des nächsten Jahrzehnts ein schnelles Umsatz- und Stückwachstum bis zur Reife und Sättigung zeigen.

Abb. 1: Der Weltmarkt für Wireless-Power zeigt für den Rest dieses Jahrzehnts ein deutliches Wachstum.

IHS-Nutzerstudien zeigen, dass sich im Jahr 2015 etwa 90% der Verbraucher für eine drahtlose Ladefunktion in ihren Mobilgeräten entscheiden würden. Etwa ein Fünftel dieser Verbraucher hat die Technologie bereits übernommen, die meisten haben sie noch nicht genutzt, sind aber sehr daran interessiert - ein riesiger potenzieller Markt, auf dem der Verbraucher von der Notwendigkeit und der Technologie überzeugt ist.

Der Wunsch der Verbraucher ist klar: Geräte so schnell und vollständig wie möglich aufladen zu können, so dass zwischen den Gebühren mindestens ein Tag genutzt werden kann.

Wired Charging hat sich weiterentwickelt; Ladegeräte sind kleiner, effizienter und intelligenter geworden. Mobile Verbraucher können eine tragbare Batterie mit sich führen, um während starker Beanspruchung "unterwegs" zu laden, obwohl das Laden des Akkus und anschließend das Gerät überwiegend verdrahtet bleibt. Die Batterien verbessern sich, aber das Gewicht bleibt signifikant - oft mehr als das Gerät selbst.

Drahtloses Laden ist der logische nächste Schritt der Ladeentwicklung. Während der "Early Adopter" -Phase wurden in den letzten zwei Jahren 221 Millionen Geräte drahtlos geladen. Parallel wurden 83 Millionen Ladestationen (meist eigenständige Ladepads) ausgeliefert.

Viele der heutigen Ladegeräte sind in öffentlichen Räumen wie Cafés und Flughäfen; In der Tat erlebten die meisten Verbraucher, die das kabellose Laden ausprobierten, die Technologie irgendwo anders als zu Hause oder im Büro.

Standards und Allianzen

Wie bei vielen aufstrebenden Technologien, insbesondere solchen mit einem großen Umsatzpotenzial, werden mehrere (oft inkompatible) Standards entwickelt. Während diese dazu dienen, die Technologie voranzutreiben, könnte das Fehlen einer wirklich universellen Lösung die Akzeptanz auch ersticken.

Das Wireless Power Consortium (WPC) wurde 2008 gegründet und umfasst rund 230 Mitglieder aus 20 Ländern, darunter Unterhaltungselektronik, Halbleiter und Mobilfunkbetreiber. WPC-Mitglieder unterstützen den Qi-Standard ("Chee").

Der WPC überprüft die Einhaltung von Produkten durch ein Netzwerk von WPC-autorisierten Labors. Es gibt mehr als 1.200 Qi-zertifizierte Produkte auf dem Markt, darunter mehr als 300 Sender / Ladegeräte und mehr als 90 Qi-fähige Smartphones. Die installierte Basis wird auf mehr als 150 Millionen Geräte geschätzt, und ABI Research (www.abiresearch.com) prognostiziert, dass dies bis 2020 700 Millionen Geräte überschreiten wird.

Durch Partnerschaften wird Qi in Autos, Restaurants, Hotels, Flughäfen und Firmenbüros installiert - mehr als 4.000 öffentliche Qi-Ladestationen sind bereits im Einsatz.

Aus technischer Sicht ist Qi ein induktiver Standard, der eine eng gekoppelte Ladung unterstützt. Unter dem WPC-Banner ist PowerbyProxi eine resonante Lösung, die volle räumliche Freiheit bietet und bis zu 5 W in einem Eins-zu-Eins oder Eins-zu-vielen-Ladeszenario liefert. Die Technologie passt dank eines proprietären kabellosen Empfängers in Smartphones, während ein eingebauter Fremdkörperdetektor dafür sorgt, dass metallische Objekte nicht stören oder überhitzen.

Die Power Matters Alliance (PMA) und die Alliance for Wireless Power (A4WP) wurden 2012 als separate Organisationen von verschiedenen Telekommunikations-, Verbrauchergeräte-, Automobil-, Möbel- und anderen Unternehmen gegründet. PMA konzentrierte sich in erster Linie auf eng gekoppelte induktive Lösungen, während A4WP an einer lose gekoppelten Resonanztechnologie arbeitete.

Im Juni 2015 wurden die beiden Organisationen formell zusammengeführt und im selben Jahr in AirFuel Alliance umbenannt (siehe Abb. 2 ). Die Fusion reduzierte die Anzahl der Organisationen (und der konkurrierenden Standards) von drei auf zwei und wurde dafür gelobt, das Ziel eines einzigen, interoperablen Standards einen Schritt näher gebracht zu haben. ON Semiconductor zählt zu den rund 160 Post-Merger-Mitgliedern.

Die AirFuel Alliance verfügt über eine breite Technologieplattform, die induktive, resonante und ungekoppelte Technologien umfasst.

Die induktive Technologie ist relativ ausgereift und wird weltweit in Millionen von Geräten eingesetzt. Diese eng gekoppelte Technologie bietet Wirkungsgrade von bis zu 80% mit skalierbarem Laden für Geräte mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen.

Die resonante AirFuel-Technologie ermöglicht ein "Drop-and-Go" -Laden auf jeder Oberfläche und wurde 2013 mit "Recence" ausgezeichnet. Rezence bietet skalierbare Aufladung und wird nicht durch metallische Gegenstände wie Schlüssel oder Münzen beeinflusst.

Mit Blick auf die Zukunft arbeitet die AirFuel Alliance auch an entkoppelten Technologien, die Strom über mehrere Meter übertragen können. Es werden mehrere Technologien / Übertragungsmedien in Betracht gezogen, einschließlich RF, Ultraschall und Laser. Die ursprüngliche Spezifikation unterstützt eine Leistung von bis zu 5 W über Entfernungen von 15 Fuß (5 Meter); Für das zweite Release im Jahr 2017 wird ein Anstieg auf 15 W erwartet.

Neben den Technologieaspekten entwickelt die AirFuel Alliance Infrastrukturstandards für das drahtlose Laden. Dazu gehören Definitionen von Schnittstellen, Befehls- und Berichtsstrukturen sowie Netzwerkprotokollen - all dies trägt zur Komplexität und zum Nutzen der Benutzer bei.

Abb. 2: Nach der Fusion von PMA und A4WP im Jahr 2015 ist die AirFuel Alliance der führende Anbieter von drahtloser Energietechnologie.

Obwohl es noch ein weiter Weg ist, ist das ultimative Ziel, ein einziges, vollständig interoperables System zu liefern, das in der Lage ist, mehrere Geräte mit unterschiedlichen Leistungsanforderungen gleichzeitig ohne Störungen zu laden. Sobald dies erreicht ist, werden wir zu der echten "Drop-and-Go" -Ladeerfahrung gelangen, die die allgemeine Akzeptanz durch die Verbraucher vorantreiben wird.

Die Rolle von Halbleitertechnologien

Das kabellose Laden hat zwei grundlegende Aspekte: Leistung und Magnetismus. In vieler Hinsicht teilt die Technologie viel von ihrem Erbe mit modernen Schaltnetzteilen (SMPS). Diese bestehen typischerweise aus einer primären und einer sekundären Umwandlungsstufe, die durch einen Transformator gekoppelt sind, und verwenden häufig Resonanz als Mittel zur Erhöhung der Effizienz. Daher ist ein großer Teil der F & E-Aktivitäten führender Halbleiterunternehmen zur Verbesserung der Effizienz von SMPS für den Aufbau besserer drahtloser Lösungen geeignet.

Wie Fig. 3 zeigt, besteht ein kabelloses Ladesystem aus einem Sender und einem Empfänger, die in ihrer Funktion der primären und sekundären des SMPS sehr nahe kommen. Der Unterschied besteht darin, dass der "Transformator" bei drahtloser Stromversorgung in zwei Spulen aufgeteilt ist - eine im Ladegerät und eine im Gerät. Obwohl das Gerät auf dem Ladepad platziert ist (und sich daher "berührt"), ist es korrekt, den Begriff "drahtloses Laden" zu verwenden, da die Ladeoberfläche und das Gerätegehäuse nicht leitend sind und die Ladespulen durch einen Isolierspalt voneinander getrennt sind von einigen Millimetern oder mehr.

Abb. 3: Blockschaltbild einer typischen resonanten kabellosen Ladelösung.

Halbleiterhersteller entwickeln jetzt komplette drahtlose Ladelösungen, einschließlich Power-Management, Brückengleichrichter, Stromrichterstufen, Leistungsschalter (MOSFETs) und Batterieladegeräte. Forschung und Entwicklung konzentrieren sich weiterhin auf die Reduzierung von Größe und Kosten bei einer immer höheren Effizienz. Darüber hinaus bieten viele Unternehmen jetzt auch fortschrittliche Entwicklungstools und Referenzdesigns, die es Konstrukteuren erleichtern, drahtlose Ladesysteme schnell auf den Markt zu bringen.

Natürlich braucht es einige Zeit, bevor ein wirklich universeller "Drop-and-Go" -Standard weltweit angenommen wird, aber mit resonanten Technologien, die lose gekoppelte Ladevorgänge ausreifen und ermöglichen, Hunderte von großen Herstellern unterstützen Standards, Millionen von Geräten versenden und 90% davon Verbraucher wollen eine Lösung, die Zukunft für das kabellose Laden als primäre Lademethode der Zukunft ist gesichert.

Von AJ ELJALLAD, Senior Manager Wireless Segment, ON Semiconductor www.onsemi.com