Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
PDF download
Batterielose Anwendungen drahtlos mit Energie versorgen: Ausgabe 01-02/2020, 30.01.2020

Eine spannende, aber lösbare Aufgabe

Auf die von Entwicklern immer wieder gestellte Frage, ob sich eine Anwendung ohne Batterie drahtlos mit elektrischer Energie versorgen lässt, heisst die Antwort ja. Für diese Applikationen gibt es eine einfache integrierte Nanopower-Lösung, die ursprünglich für Energy-Harvesting-Anwendungen entwickelt wurde.

Autor: Mark Vitunic, Design Manager in der Power by Linear Group von Analog Devices, Text und Bilder

Ein WPT-System (Wireless Power Transfer) besteht aus zwei Teilen, die durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind: Transmitter-Schaltkreis (Tx) mit einer Übertragungsspule und einem Empfänger-Schaltkreis (Rx) mit einer Empfängerspule (Bild 1). Ähnlich wie bei einem typischen Transformatorsystem induziert eine in der Übertragungsspule erzeugte Wechselspannung über ein Magnetfeld eine Wechselspannung in der Empfängerspule. Im Gegensatz zu einem typischen Transformatorsystem ist die Kopplung zwischen der Primär- und Sekundärseite (Transmitter und Empfänger) jedoch sehr gering. Dies ist auf das nichtmagnetische Material (Luftspalt) zurückzuführen.

Nachgeschaltete Lasten lassen sich auf verschiedene Methoden anschliessen
Die meisten der heute eingesetzten WPT-Anwendungen sind als drahtlose Batterielader konfiguriert. Eine wiederaufladbare Batterie auf der Empfängerseite wird drahtlos aufgeladen, sobald sie sich in der Nähe eines Transmitters befindet. Ist der Aufladevorgang abgeschlossen und die Batterie anschliessend vom Lader genommen, versorgt die wiederaufladbare Batterie die Anwendung.
Nachgeschaltete Lasten können entweder direkt an die Batterie, indirekt über eine PowerPath-Diode an die Batterie oder an den Ausgang eines batteriegespeisten Reglers im Lade-IC angeschlossen werden. In allen drei Szenarien (Bild 2) lässt sich die Endanwendung am oder getrennt vom Lader betreiben.

LTC3588-1 lässt sich auch für die drahtlose Energieversorgung nutzen
Doch was ist, wenn eine bestimmte Anwendung nicht über eine Batterie verfügt und stattdessen nur eine geregelte Spannungsschiene gewünscht ist, sobald drahtlose Energie vorhanden ist? Beispiele für solche Anwendungen findet man reichlich in Remote-Sensoren, in den Bereichen Verbrauchsmessung (Metering) und Automotive-Diagnostik sowie in der medizinischen Diagnose. Falls zum Beispiel ein Remote-Sensor nicht kontinuierlich versorgt werden muss, kommt er ohne Batterie aus, die ansonsten periodisch ausgetauscht – falls es eine Primärzelle ist – oder geladen werden müsste – falls sie wiederaufladbar ist. Falls der entfernt angeordnete Sensor nur dann Messwerte erfassen soll, wenn sich der Benutzer in dessen Nähe befindet, kann er bei Bedarf drahtlos mit Energie versorgt werden.
Die ursprünglich für EH-Anwendungen (Energy Harvesting) mit Transducer-Speisung (zum Beispiel piezoelektrisch, Solar usw.) entwickelte Nanopower-Energy-Harvesting-Stromversorgung LTC3588-1 kann auch für die drahtlose Energieversorgung verwendet werden. Bild 3 zeigt eine komplette WPT-
Lösung mit Transmitter und Empfänger, die den LTC3588-1 beinhaltet. Auf der Transmitter-Seite befindet sich ein einfacher Drahtlos-Transmitter (Open Loop), der auf dem TimerBlox-Silizium-Oszillator LTC6992 basiert.

Beim LTC3588-1 ist die AC/DC-Gleichrichtung bereits eingebaut
Für diese Schaltung ist eine Drive-Frequenz von 216 kHz festgelegt, die unter der Resonanzfrequenz des LC-Tankkreises (parallele Kombination von L und C) von 266 kHz ist. Das genaue Verhältnis von fLC_TX zu fDRIVE lässt sich am besten empirisch bestimmen, mit dem Ziel, die Schaltverluste in M1 aufgrund des spannungslosen Schaltens (ZVS, Zero Voltage Switching) zu minimieren. Designüberlegungen auf der Transmitterseite hinsichtlich Spulenwahl und Arbeitsfrequenz unterscheiden sich nicht von anderen WPT-Lösungen, was bedeutet, dass es nichts anderes als einen LTC3588-1 auf der Empfängerseite gibt.
Auf der Empfängerseite ist die Resonanzfrequenz des LC-Tankkreises genauso eingestellt wie die Drive-Frequenz von 216 kHz. Da viele EH-Anwendungen AC/DC-Gleichrichtung benötigen (genauso wie WPT), ist sie beim LTC3588-1 bereits eingebaut. Dies ermöglicht den Anschluss des LC-Tankkreises direkt mit den Pins PZ1 und PZ2 des LTC3588-1.

Der Ausgangskondensator kann kurzfristig Stromspitzen liefern
Die Gleichrichtung ist breitbandig: DC bis >10 MHz. Ähnlich wie der Pin VCC an den Bauteilen LTC4123, LTC4124 und LTC4126 ist der VIN-Pin am LTC3588-1 auf einen Pegel zur Bereitstellung von Energie zum Downstream-Ausgang geregelt. Im Falle des LTC3588-1 hat der Ausgang den Verlauf eines DC/DC-Reglers mit Hysterese statt den eines Batterieladers. Vier Ausgangsspannungen von 1,8, 2,5, 3,3 und 3,6 V mit Dauerströmen von bis zu 100 mA stehen zur Verfügung und sind über Pins wählbar.
Der Ausgangskondensator kann so dimensioniert werden, dass er höhere kurzfristige Stromspitzen liefern kann. Vorausgesetzt der durchschnittliche Ausgangsstrom bleibt unter 100 mA. Um den vollen Ausgangsstrom von 100 mA nutzen zu können, müssen selbstverständlich ein passend dimensionierter Transmitter, ein Spulenpaar und eine entsprechende Kopplung vorhanden sein.

Downstream-Schaltkreis wird im Empfänger-IC geschützt
Ist die Lastanforderung geringer als die verfügbare drahtlose Eingangsleistung, erhöht sich die Eingangsspannung VIN. Obwohl der LTC3588-1 einen den Eingang schützenden Shunt beinhaltet, der bei einem Anstieg der Eingangsspannung auf 20 V bis zu 25 mA aufnehmen kann, kann sich diese Funktion als unnötig erweisen.
Mit steigender Eingangsspannung erhöht sich auch die Spitzen-Wechselspannung an der Empfängerspule. Dies entspricht einem Abfall der bereitstellbaren Wechselspannung für den LTC3588-1 statt einfach im Empfänger-Tankkreis zu zirkulieren. Falls die Leerlaufspannung (VOC) der Empfängerspule erreicht wird, bevor die Eingangsspannung auf 20 V ansteigt, wird der Downstream-Schaltkreis ohne Verlustwärme im Empfänger-IC geschützt.

Die Testergebnisse
Für die Anwendung in Bild 3 mit einem Luftspalt von 2 mm ergab sich bei 3,3 V ein gemessener maximal lieferbarer Ausgangsstrom von 30 mA und die gemessene Eingangsspannung ohne Last betrug 9,1 V. Bei einem Luftspalt von fast 0 mm steigt der maximal lieferbare Ausgangsstrom auf ungefähr 90 mA, während die Eingangsspannung ohne Last auf nur 16,2 V anstieg und deutlich unter der den Eingang schützenden Shunt-Spannung liegt (Bild 4).
Schlussbemerkung
Für batterielose Anwendungen, in deren Nähe sich eine drahtlose Energiequelle befindet, ist der LTC3588-1 eine einfache integrierte Lösung, mit der sich eine geregelte Spannungsschiene mit niedrigem Strom und vollem Eingangsschutz zur Verfügung stellen lässt.

Datenblatt LTC3588-1: 01_20.51.pdf

Infoservice
Analog Devices GmbH
Otl-Aicher-Strasse 60 – 64, DE-80807 München
Tel. 0049 89 769 030, Fax 0049 89 769 031 07
www.analog.com



Bild 1: Drahtloses Energieübertragungssystem – Wireless-Power-Transfer-System


Bild 2: Drahtlose Rx-Batterielader mit Downstream-Lasten, angeschlossen an a) eine Batterie, b) eine PowerPath-Ideal-Diode und c) an einen Reglerausgang


Bild 3: WPT-System mit einem LTC3588-1 zur Versorgung einer geregelten 3,3-V-Versorgungsschiene


Bild 4: Maximal lieferbarer Ausgangsstrom bei 3,3 V für verschiedene Entfernungen


Die Zukunft gehört drahtlosen Energieübertragungssystemen – die Lösungen stehen parat