Multidomain-Oszilloskop Worauf bei der Entwicklung des kabellosen Ladesystems Qi zu achten ist

Autor / Redakteur: Dr. Philipp Weigell * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein kabelloses Ladesystem für elektronische Geräte ist für den Anwender praktisch. Am Beispiel des proprietären Standards Qi betrachten wir Frequenz- und Zeitbereich mit einem Multidomain-Oszilloskop.

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Mit dem proprietären Standard Qi lassen sich auf auf induktiver Basis beispielsweise Smartphones laden. Unser Beitrag zeigt, wie ein Multitomain-Oszilloskop bei der Entwicklung hilft.
Mit dem proprietären Standard Qi lassen sich auf auf induktiver Basis beispielsweise Smartphones laden. Unser Beitrag zeigt, wie ein Multitomain-Oszilloskop bei der Entwicklung hilft.
(Bild: Philips)

Das kabellose Laden von Smartphones und anderen mobilen Geräten boomt. So brachte zuletzt sogar ein großes schwedisches Möbelhaus Inneneinrichtung mit integrierter Ladefunktion auf den Markt. Die weitverbreitetsten Standards sind Rezence und Qi. Während der Entwicklung und Validierung solcher Systeme sind sowohl der Zeit- als auch der Frequenzbereich wichtig. Am komfortabelsten und schnellsten ist die Analyse, wenn beide Domains zeitkorreliert in einem Oszilloskop zur Verfügung stehen.

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Durch ihren flachen Aufbau lassen sich kabellose Ladegeräte gut in die alltägliche Umgebung integrieren und immer mehr Hersteller aus verschiedenen Branchen machen sich das zu Nutze. Neue Autos und Möbel mit entsprechender Funktion sind ein Beispiel dafür. Gleichzeitig sind seit einigen Jahren viele neue Mobiltelefone für das kabellose Laden vorbereitet. Nutzer profitieren durch das einfachere Laden ohne Kabel und die Netzbetreiber profitieren, da geladene Telefone potenziell mehr Umsatz generieren.

Nach dem erfolgtem Zusammenschluss der Alliance for Wireless Power und der Power Matters Alliance zu Rezence gibt es aktuell zwei dominierende Standards: Qi und Rezence. Die Designherausforderungen für Entwickler sind ähnlich. Der folgende Text beschreibt am Beispiel des Qi-Standards, wie ein Oszilloskop bei der Entwicklung von Hardware unterstützend eingesetzt werden kann.

Das Bild 1 zeigt den Aufbau eines kabellosen Energieübertragungssystems nach dem Qi-Standard. Diese Systeme nutzen Frequenzen von 110 bis 205 kHz und können maximal eine Leistung von 5 W übertragen. Dafür nutzen sie vier Betriebsmodi: Selektion, Ping, Identifizierung/Konfiguration sowie Energieübertragung.

Während der Entwicklung spielt zum einen das Systemverhalten eine wichtige Rolle, wenn ein Gerät in die Nähe der Ladestation gebracht wird, also der Übergang vom Selektions- in den Energieübertragungsmodus. Auf der anderen Seite ist eine Analyse elektromagnetischer Störungen wichtig, da die vergleichsweise schwache Steuersignalübertragung mit der 5 W starken Leistungsübertragung konkurriert.

Der Vorteil eines Multidomain-Oszilloskops

Bei beiden Entwicklungsaufgaben ist es essentiell, zeitkorreliert die Digitalsignale der Steuerelemente als auch die Signale der Transmitter- und Empfängerspulen zu überwachen. Dafür notwendig sind ein Oszilloskop sowie ein Spektrumanalysator der Einstiegsklasse. Hier kommt dem Entwickler der Trend entgegen, zunehmend mehr Funktionalitäten in einem Oszilloskop zu integrieren.

Multidomain-Oszilloskope wie das R&S RTM2000 von Rohde & Schwarz bieten mit R&S RTM-K18 eine Option für Spektrumanalyse und Spektrogramm. Dank der dabei in Hardware realisierten Digital Down Conversion (DDC), die das Signal auf die für die Analyse relevanten Komponenten reduziert, ist es möglich, das Spektrum der analogen Eingangssignale von DC bis zur Gerätebandreite mit hoher Geschwindigkeit zu analysieren. Zudem lassen sich die Messparameter jeweils unabhängig optimieren; im Zeitbereich also Zeitdauer und -auflösung, im Frequenzbereich Mittenfrequenz, Span und Auflösebandbreite.

Von der Theorie in die Praxis mit dem RTM2000

Am Beispiel des R&S RTM2000 zeigen wir, wie sich das theoretisch beschriebene in der Praxis umsetzen lässt. Im Selektionsmodus, de facto ein energiesparender Leerlauf, sendet die Ladestation regelmäßig analoge Pings aus und beobachtet so ihre Umgebung.

Das Bild 2 zeigt das Ping-Signal in drei unterschiedlichen Darstellungen. Stellt die Ladestation beispielsweise durch die Änderung des induktiven Feldes ein Objekt in ihrer Nähe fest, wechselt sie in den Ping-Modus. Während dieser Phase sendet die Ladestation digitale Pings aus. So stellt sie fest, ob es sich um ein sich näherndes Smartphone oder ein anderes metallisches Objekt handelt. Werden die Pings vom Smartphone beantwortet, wechselt die Ladestation in den Identifizierungs- und Konfigurationsmodus. Bei einer ausbleibenden Antwort, beispielsweise durch ein Geldstück, fällt die Station zurück in den Leerlauf.

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Danach schließt sich die Identifizierungs- und Konfigurationsphase an, gefolgt vom Energieübertragungsmodus. Dabei handeln Ladestation und Smartphone zuerst Rahmenbedingungen wie die benötigte Energiemenge aus, stellen diese ein und regeln sie gegebenenfalls nach. Die genaue Implementierung um die Energiemenge zu steuern ist im Standard nicht festgelegt, es haben sich aber drei Verfahren etabliert:

  • Frequenzgesteuert: Durchstimmen der Resonanzfrequenz beeinflusst die Strommenge in der Ladespule und damit die übertragene Energie.
  • Tastverhältnisgesteuert: Am Wechselrichter wird das Tastverhältnis gemäß der benötigten Energie angepasst.
  • Spannungsgesteuert: Anpassung der an der Ladespule anliegenden Spannung.

Mit der Spezifikation lässt sich zudem die parallele Implementierung verschiedener Verfahren anwenden.

Den Aufbau der Energieübertragung charakterisieren

Bei der Charakterisierung von frequenzgesteuerten Designs sind zwei Aspekte zentral. Erstens werden verschiedene Zeitintervalle beim Aushandeln des Energieübertragungsvertrags eingehalten. Darin enthalten sind unter anderem bestimmte Mindestabstände zwischen zwei Kommunikationsvorgängen und das rechtzeitige Abschalten der Leistungsübertragung in Fehlerfällen. Zwar liegen die Zeiten im vergleichsweise langen Millisekundenbereich, ihre Nichteinhaltung führt aber oft zu Fehlfunktionen.

Zweitens ist eine hohe Messdynamik nötig, um die schwächeren Amplitudenumtastungsmodulationssignale (Amplitude Shift Keying, kurz ASK) der Kommunikation zu messen. Ist die Verbindung aufgebaut, führen Abweichungen in den Spannungspegeln oft zu Kompatibilitätsproblemen. Die Einhaltung der spezifizierten Pegel ist außerdem vorteilhaft für die Energieeffizienz. Diese wird unter anderem von verschiedenen Energieeffizienzstandards wie dem EnergyStar gefordert.

Ein genaues Verständnis, wie die Trägerfrequenz fc in Frequenz und Magnitude angepasst wird, ist essentiell, um eine hohe Energieeffizienz des Ladevorgangs zu erreichen. Denn diese wird stark durch die Dimensionierung und die Wahl der Spulenmaterialien beeinflusst. Das Oszilloskop von Rohde & Schwarz zusammen mit der Spektrumanalyse- und Spektrogrammoption erlaubt es, die fc-Anpassung während des Handshake-Prozesses präzise zu analysieren. Durch die hohe Messdynamik des Oszilloskops kann zunächst das schmale ASK-Modulations-Signal auf dem vergleichsweise großen 20 Vpp–Träger gemessen werden (Bild 3).

Mit dieser Information erfolgt die korrekte Auswahl des Zeitbereichs für die Analyse. Die eigentliche Modulation lässt sich am Besten im Spektrogramm analysieren. Dort ist die Magnitude des Frequenzsspektrums mit verschiedenen Farbschemata kodiert und über die Zeit aufgetragen. Damit sind Veränderungen, wie Umschaltvorgänge, leicht interpretierbar. Selbst schnelle Frequenzänderungen sind dank der hohen FFT-Rate gut sichtbar.

Im Zusammenspiel mit der erhältlichen Option History und segmentierter Speicher (R&S RTM-K15) zeigt der Marker im Spektrogramm nicht nur den Zeitpunkt einer Erfassung, sondern ermöglicht es, die entsprechenden Zeit- und Frequenzmesskurven aus dem 460 MSample tiefem Speicher auf den Bildschirm zu laden. Zur Analyse der geladenen Messkurve stehen dann alle Werkzeuge des Oszilloskops zur Verfügung. So lassen sich zum Beispiel über den Maskentest auf Fehler hindeutende Ausreißer in den Analogsignalen elegant finden.

Elektromagnetische Störanfälligkeit und Verträglichkeit

Im Bild 4 ist eine solche Modulation der Trägerfrequenz fc dargestellt, wie sie zur Anpassung der Leistung einer Qi-Schaltung benötigt wird: Im oberen Viertel des Spektrogramms ist die Leerlauffrequenz der Ladestation von 175 kHz sichtbar. Mit der sich nähernden Last ändert sich fc zuerst auf 120 kHz, um sich dann mit weiter verringerndem Abstand schrittweise auf 205 kHz anzupassen.

Der Max-Hold-Trace (blaue Kurve), das ist die Einhüllende der Maximalwerte aller fc-Spektren (gelbe Kurve), vereinfacht die Analyse der Magnitudenänderung. Auf dieser Basis lässt sich die Spule anpassen. Neben der Energieeffizienz ist die Charakterisierung der elektromagnetischen Störanfälligkeit der Ladestation wichtig.

Eine große Ladespule fungiert zusammen mit den PCB-Leitungen als Antenne und zum anderem bieten sich Voruntersuchungen in der Entwicklung an, um spätere Überraschungen bei der elektromagnetischen Verträglichkeitsprüfung zu vermeiden. Periodische Pings verursachen beim Verbindungsaufbau sogenanntes Ripple-Rauschen auf den Board-Leitungen. Später in der Energieübertragungsphase hat das System eine fixe Resonanzfrequenz und ist damit anfälliger für externe elektromagnetische Störer als in den vorangegangenen Phasen.

Das Bild 5 zeigt niedrige und hohe elektromagnetische Störungen bei ein- bzw. ausgeschalteten Komponenten.

Mit Nahfeldsonden PCB-Leitungen untersuchen

Mit passenden Nahfeldsonden, wie sie im R&S HZ-15-Set enthalten sind, lassen sich die PCB-Leitungen direkt untersuchen und problematische Stellen schnell lokalisieren. Wie auf einem Spektrumanalysator kann man mit dem Oszilloskop und der Spektrumanalyse- und Spektrogrammoption Parameter wie die Mittenfrequenz, den Span und die Auflösebandbreite direkt anpassen. Schnelle und sporadische Emissionen lassen sich mit einem Spektrumanalysatoren finden.

Mit der implementierten Digital Down Conversion (DDC) in der Option R&S RTM-K18 kann die Aufgabe auch ein Oszilloskop übernehmen. Dank der zusätzlichen Möglichkeit gleichzeitig im Zeitbereich Ereignisse zu überwachen, lassen sich Ursachen leichter lokalisieren und entsprechende Gegenmaßnahmen vornehmen.

* Dr. Philipp Weigell ist Produktmanager für Oszilloskope bei Rohde & Schwarz in München.

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