Wie funktioniert der Qi Wireless Charging Standard?
Geposted von Sergejs Visnevskis am
Qi-zertifizierte kabellose Ladegeräte sind mittlerweile auf dem Verbrauchermarkt weit verbreitet. Aber wie genau erreicht Qi die drahtlose Energieübertragung auf Schaltkreisebene?
Blockdiagramm eines Qi-kompatiblen Ladegeräts
Das Blockdiagramm eines induktiv gekoppelten drahtlosen Energieversorgungssystems ist unten dargestellt:
Funktionsdiagramm einer typischen drahtlosen Energieübertragung.
Die an der Primärspule anliegende Wechselspannung wird durch magnetische Kopplung auf die Sekundärspule übertragen. Beim Qi-Standard sollten die Sender- und Empfängerspulen relativ gut aufeinander abgestimmt sein, um eine effiziente Leistungsabgabe zu gewährleisten. Die magnetische Kopplung zwischen den Spulen wird auch zum Senden der Kommunikationspakete vom Empfänger zum Sender genutzt.
Bevor die Stromversorgung erfolgen kann, müssen mehrere verschiedene Phasen abgeschlossen sein. Im Folgenden gehen wir kurz auf verschiedene Schritte des Qi-kompatiblen Ladealgorithmus ein.
Analoger Ping
Im Standby-Modus befindet sich der Sender im Ruhezustand und es wird keine nennenswerte Leistung abgegeben. Der Sender verwendet „analoge Pings“, um das Vorhandensein eines potenziellen Leistungsempfängers zu erkennen. Analoges Pinging wird durch Anlegen periodischer Testimpulse an die Primärspule erreicht.
Ohne einen Stromempfänger (und passive Metallgegenstände wie Münzen, Schlüssel usw.) ist die Spannung an der Primärspule viel größer. Wenn Sie beispielsweise einen Leistungsempfänger in die Nähe des Senders bringen, kann die Spannung an der Primärseite von 60 Vp-p auf 30 Vp-p reduziert werden. Dies liegt an der Belastungswirkung, die ein Metallgegenstand auf die Primärspule haben kann.
Daher kann die Spannung, die während des analogen Pings an der Primärseite auftritt, verwendet werden, um das Vorhandensein eines potenziellen Leistungsempfängers zu erkennen. Beachten Sie, dass einige Qi-kompatible Leistungssender keine analogen Pings verwenden und sich nur auf digitale Pings verlassen, um einen Leistungsempfänger zu erkennen.
Digitaler Ping
Nachdem der Sender einen potenziellen Stromempfänger in der Nähe erkennt, kommuniziert er über „digitale Pings“ mit dem Empfänger. Digitale Pings sind im Vergleich zu analogen Pings längere Impulse und verfügen über ausreichend Energie, um den Leistungsempfänger (falls vorhanden) zu aktivieren.
Sobald der Empfänger über das digitale Ping-Signal mit Strom versorgt wird, sollte er Signalstärkepakete an den Sender zurücksenden. Anhand eines gültigen Signalstärkepakets kann der Sender einen gültigen Leistungsempfänger von einem passiven Metallobjekt oder einem nicht konformen Empfänger unterscheiden.
Analoge und digitale Pings beim Start
Bei einem gültigen Signalstärkepaket hält der Sender die Stromversorgung der Spule aufrecht und fährt mit der nächsten Phase fort: der Identifikations- und Konfigurationsphase.
Identifikations- und Kraftübertragungsphasen
In der Identifikations- und Konfigurationsphase sendet der Leistungsempfänger Datenpakete an den Sender, die Informationen über die Qi-Version des Empfängers, die maximal erforderliche Ausgangsleistung und andere Konfigurationsinformationen enthalten.
Nach der Identifikationsphase beginnt die Kraftübertragungsphase. In dieser Phase misst der Empfänger die empfangene Leistung und sendet diese Informationen an den Sender zurück, sodass der Sendeleistungspegel je nach Empfängeranforderungen angepasst werden kann. Diese Informationen helfen dem Sender auch dabei, Fremdkörper aus Metall zu erkennen, die den Strom stehlen.
Die Erkennung von Fremdkörpern (Metallobjekten) erfolgt durch Vergleich der Sendeleistung mit der vom Leistungsempfänger gemeldeten Empfangsleistung. Ein großer Unterschied zwischen den gesendeten und empfangenen Leistungspegeln kann ein Hinweis darauf sein, dass sich ein Metallgegenstand in unmittelbarer Nähe des Senders befindet.
Die Übertragung einer großen Energiemenge auf ein Metallobjekt kann dessen Temperatur erhöhen und gefährliche Situationen verursachen. Aus diesem Grund stellt der Sender die Stromversorgung ein, wenn ein Fremdkörper aus Metall vorhanden ist.
Wie passt der Sender die Leistungsstufe an?
Eine typische Leistungsübertragungsfunktion vom LC-Kreis des Senders zum Gleichrichterausgang des Empfängers ist unten dargestellt.
Diagramm einer Tx-Rx-Übertragungskurve
In diesem Beispiel liegt die Betriebsfrequenz des Senders auf der rechten Seite der Resonanzfrequenz des LC-Kreises. Daher können wir den Sendeleistungspegel reduzieren, indem wir die Frequenz des an die Sendespule angelegten Leistungssignals erhöhen. Die Amplitude des Wechselstromsignals ist ein weiterer Parameter, den das System anpassen kann, um die übertragene Leistung anzupassen.
Wie kommuniziert der Empfänger mit dem Sender?
Die magnetische Kopplung dient sowohl der Energieversorgung als auch der Kommunikation. Interessanterweise kann dies durch eine Änderung der empfängerseitigen Last erreicht werden. Diese RX-Spulenmodulation wird auf die TX-Seite zurückreflektiert und ermöglicht uns, Datenpakete vom Empfänger zum Sender zu senden. Die kapazitive Modulation der RX-Spule ist unten dargestellt.
Die Architektur einer drahtlosen 5-W-Energieübertragung
Mit dem Qi-Standard werden sowohl kapazitive als auch resistive Modulationen der RX-Spule unterstützt.
Quelle: Alles über Schaltkreise
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