Neue Qi2-Konformitätsmerkmale 2024: Erkennung von Fremdobjekte, LQK-Messungen und mehr

Dieser technische Blog ist eine Zusammenfassung eines exklusiven technischen Webinars von GRL [New Qi2 Technical Features and Compliance Considerations for the 2024 Landscape]. Abonnieren Sie unseren Newsletter oder folgen Sie uns auf LinkedIn , um über unser nächstes kostenloses technisches Webinar informiert zu werden oder lesen Sie für eine kurze Zusammenfassung des Webinars weiter.

Der kabellose Ladestandard Qi des Wireless Power Consortium (WPC) befindet sich ab 2022 in einer rasanten Entwicklungsphase. Qi Version 2.0 wurde 2023 offiziell veröffentlicht und umfasst ein verbessertes Baseline Power Profile (BPP), Extended Power Profile (EPP) und das neue Magnetic Power Profile (MPP), das durch eine optimale Geräteausrichtung Ladegeschwindigkeiten von 15 W ermöglicht. WPC expandiert auch die drahtlose Auflade-Technologie in Branchen wie intelligente Küchengeräte (die den KI-Standard für drahtlose Stromversorgung nutzen), Elektrofahrzeuge und Fertigungsroboter.

In diesem Artikel erfahren Sie mehr über MPP Power Loss Accounting (MPLA), LQK-Messungen, Fremdkörpererkennungen und andere kritische Qi2-Konformitätsprozesse.

Qi2 vs Qi-Spannungsprofil

Es ist wichtig für die Hersteller die unterstützte Spannungsprofile von Qi und Qi2-Standard zu verstehen. Alle Sender (T_x) und Empfänger (R_x)-Design mit dem Qi2-Logo müssen beide das MPP- und BPP-Spannungsprofil mit Rückwärtskompatibilität unterstützen. Während die R_x-Authentifizierung freiwillig ist, ist die T_x-Authentifizierung Pflicht.

Ältere Spannungsprofile wie BPP und EPP werden nur vom Qi-Standard unterstützt. Geräte unter Qi können sowohl die BPP- als auch die EPP-Spannungsprofile der Qi-Versionen 1.3.3 und 2.0 unterstützen.

Unterschiede zwischen Qi- und Qi2-Spannungsprofilunterstützung

MPP Power Loss Accounting (MPLA) 

Gewöhnliche Gegenstände wie Münzen, Kreditkarten oder Schlüssel, die zwischen einem aktiven Leistungssender (PTx) und einem aktiven Leistungsempfänger (PRx) fallen, können zu einer Überhitzung führen und ein Sicherheitsrisiko für den Benutzer darstellen. Die Funktion MPP Power Loss Accounting (MPLA) verhindert dies, indem sie die Erkennung von Fremdkörpern ermöglicht. Sobald ein Fremdkörper zwischen dem Sender (PTx) und dem Empfänger (PRx) erkannt wird, schaltet der Sender auf einen niedrigeren Leistungspegel um, um die Wärmeentwicklung des störenden Objekts zu minimieren. Dieser als "Best-Effort-Ladung" bezeichnete Prozess verhindert die Risiken, die durch die Überhitzung verursacht werden und ermöglicht gleichzeitig das kontinuierliches Aufladen der Batterie.

MPLA-Formel

MPLA hilft den Sendern bei der Abschätzung des Leistungsverlustes, der durch das Vorhandensein von Fremdkörpern im Stromübertragungsweg entsteht. Der Leistungsverlust kann mit der nachstehenden Gleichung berücksichtigt werden:

Der Sender misst, wie viel Spannung übertragen wird (Pin) und zieht alle bekannten Verluste auf dem Übertragungsweg ab, bevor schließlich die vom Empfänger empfangene Leistung abgezogen wird. Jede Differenz zwischen den bekannten und den tatsächlichen Spannungsverlusten kann auf das Vorhandensein von Fremdkörpern im Stromübertragungsweg zurückgeführt werden.

Der Spannungsverlust von Metallkomponenten in den Sendern (PTX_FM) und Empfängern (PRX_FM) wird ebenfalls durch die Friendly Metal Loss berücksichtigt, die als PFM_LOSS berechnet wird.

PFM_LOSS = PTX_FM + PRX_FM

Friendly Metal Loss-Formel

Der Friendly Metal Loss wird auf der Grundlage eines Systemmodells berechnet, das den Gleichstrom berücksichtigt, der für die Aufrechterhaltung der Leistungsübertragung zwischen den Spulen nötig ist. Um die Varianz zwischen Sendern und Empfängern in realen Ökosystemen zu berücksichtigen, wird bei der Berechnung des Friendly Metal Loss auch auf die Skalierungsfaktoren geachtet.

Ökosystem-Skalierung und Korrekturfaktoren

Im Vergleich sind PTx_circuit_loss und PRx_circuit_loss sehr abhängig von dem Design der Hersteller, bei dem die Parameter unter Berücksichtigung der Spannungsverlustvermutungen der zugehörigen Hersteller entschieden wird. Die Berechnung des Spulenverlusts ist komplizierter im Vergleich zu andere Parameter, da es von Spulenparameter und gepaarte gegenseitige Induktivitätseigenschaften abhängt.

Außerdem werden die Parameter von der Spezifikation kontrolliert, was dafür sorgt, dass die PTx- und PRx-Spulen sich an das Systemmodell halten. Gepaarte Parameter werden bei Konformitätsprüfungen mithilfe der gepaarten LQK-Messungen der T_x- und R_x-Spulen in Bezug auf den Golden T_x (GTPT) und Golden R_x (GTPR) gemessen. PTx und Pax tauschen gegenseitig sensible Informationen der MPLA-Parameter mit dem MPLA-Protokoll.

MPLA-Protokoll

Die MPL-Protokolldaten, die zwischen PTx und PRx während der Konfiguration und den Verhandlungsphasen ausgetauscht werden, werden vom Pax in der Spannungstransferphase verwendet, um die Auswirkungen der Fremdkörpern zu vermuten.

Konfigurationsphase

1. Der PRx sendet ein Konfigurationspaket mit dem Fenster für die Leistungsmessung und Offsets an den PTx.

Verhandlungsphase

PTx und PRx tauschen die MPLA-Parameter während der Verhandlungsphase aus.

1. Der PRx sendet eine Anfrage an den PTx für die gCoil R_x.
2. Der PTx sendet die gCoil R_x an den PRx.
3. Der PRx sendet die Alpha_FM_DC, Alpha_FM und gCoilTx.

Phase der Leistungsübertragung

Unter der Annahme, dass kein Fremdkörper vorhanden ist, verwendet der PRx die vom PTx empfangenen Parameter und berechnet die an der Schnittstelle empfangene Leistung. Die von der MPLA berechnete Leistung wird dann während der Leistungsübertragungsphase an das PTx gesendet.

Nachdem alle bekannten Verluste aus der Eingangsleistung (PIN) des Senders gemäß der MPLA-Gleichung abgezogen wurden, kann jede verbleibende Differenz zwischen der geschätzten und der tatsächlichen Leistung auf das  Friendly Metall im Leistungsübertragungsweg zurückgeführt werden. Dies kann auch für die Erkennung von Fremdkörpern in der Sendeleistung (FOD) verwendet werden.

Um dies zu veranschaulichen, können Benutzer wie unten gezeigt die Protokollpakete von Interesse herausfiltern und nur [Power Loss Accounting] und das [ACK-Paket] in GRL Wireless Power T_x Testlösung auswählen:

1. Der R_x sendet das PLA-Paket an den PTx. Die geschätzte Empfangsleistung basiert auf der Referenzspule und der Leistung am Gleichrichter.
2. Wenn der Sender das ACK-Paket nicht sendet, erhöht der Sender auch die Lastleistung nicht. 
3. Wenn der Sender das ACK-Paket sendet, erhöht der Empfänger die Leistung in Schritten von 1 W oder weniger.

Methoden und Maßnahmen zur Erkennung von Fremdkörpern (FOD)

Es gibt zwei Hauptmethoden zur Erkennung von Fremdkörpern: Pre-Power und In-Power-FOD

Während der Pre-Power-Phase berechnet der Sender den offenen Luftqualitätsfaktor (Q). Während der Sender eine signifikante Q-Veränderung in der freien Luft auf den Fremdkörper zurückführen kann, ist zu beachten, dass der PRx auch eine falsche Erkennung auslösen kann, wenn er auf den PTx gelegt wird. Um dies zu vermeiden, ordnet PTx die Q-Veränderung nur dann einem Fremdobjekt zu, wenn keine ASK-Antwort empfangen wird. Sobald dies bestätigt ist, gibt das PTx die sichere Betriebsleistungshöhe bekannt, um Risiken zu mindern.

In-Power FOD tritt auf, wenn der Sender die geschätzte Empfangsleistung (Pest_rx) und die gleichgerichtete Leistung vom Empfänger empfängt. Daraufhin schätzt der Sender die potenzielle Leistung des Fremdkörpers (Pfo). Sollte der Pfo-Wert den Pfo-Schwellenwert überschreiten, drosselt der Sender die Leistungsübertragung und stellt auf eine sicherere Betriebsleistung um. 

LQK-Parameter und magnetische Begrenzungen der Spule

Die Verluste der Spule und des befreundeten Metalls hängen in hohem Maße von den Kopplungseigenschaften (LQK) ab, die sich wiederum auf die wichtigsten elektrischen Messgrößen der gekoppelten induktiven Spulen beziehen. Die Aufschlüsselung des Konzepts lautet wie folgt:

• L = Die induktiven Parameter der gepaarten Induktionsspulen L^l_TX und L^l_RX. 
• Q = Qualitätsfaktor Q^l_TX und Q^l_RX
• R = Reaktive Parameter K_i and K_r  

Zudem ist die MPP-Magnetgrenze (MPPMB) wichtig, um die Interoperabilität zwischen zertifizierten Geräten zu gewährleisten.

Grafik zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen LQK und MPP Magnetische Grenze

Beim wireless Qi2-Laden ist die MPP Magnetic Boundary (MPPMB) entscheidend für die Interoperabilität der Geräte. Diese Grenze umfasst mehrere Ebenen: einen kleinen Bereich für GTPT- und GTPR-Paare, die bei Konformitätstests verwendet und von zugelassenen Tool-Anbietern wie GRL bereitgestellt werden und eine breitere Grenze für T_x Coil vs. GTPR und R_x Coil vs. GTPT-Paare (Device vs. Golden Pair Boundary). Geräte, die diese Grenze einhalten, erfüllen nicht nur den Standard, sondern bieten auch eine bessere FO-Vermutung und Feldinterpretierbarkeit. Die Konformität gewährleistet einen nahtlosen Betrieb und ein zuverlässiges Nutzererlebnis bei einer Vielzahl von Qi2-Geräten.

Es gibt eine minimale Fehlerspanne zwischen den GTPT- und GTPR-Paaren, die für die LQK-Messung während der Konformitätsprüfung in den von WPC autorisierten Testlabors verwendet werden. Die nächste Grenze besteht für die Paare T_x Coil vs GTPR und R_x Coil vs GTPT. (Gerät vs. Golden Pair Boundary). Wenn ein Gerät und ein Golden Pair diese Grenzwerte einhalten, kann davon ausgegangen werden, dass ihre T_x- und R_x-Paarungen ebenfalls innerhalb dieser Grenzen liegen. Bei Gerätemattierungsparametern, die innerhalb dieser Grenzen liegen, ist auch mit einer besseren FO-Vorhersage und guter Interoperabilität zu rechnen.

Testverfahren der LQK-Messung

Ratschläge zur Spulenvorbereitung für die LQK-Messung bei von WPC autorisierte Testlaboren

Stellen Sie sicher, dass Sie mindestens zwei Spulen mit zusätzlichen Kabeln und SMA-Steckern verlötet haben, um die Verbindung mit der LCR-Testvorrichtung für die LQK-Messung herzustellen. Behalten Sie ein zusätzliches Kabel und einen SMA-Stecker für die Messung der Störsignale des zusätzlichen gelöteten Kabels. Beachten Sie, dass die parasitären Werte des Kabels bei der Berechnung der LQK-Grenze entfernt werden müssen. Anschließend muss Ihre T_x- oder R_x-Spule gut verpackt sein, damit sie auf dem Test-Gig befestigt werden kann.

GRL Positionierungsgerät

Vorgehensweise

1. LCR-Kalibrierung (Öffnen und kurzgeschlossen) bei 360 KHz durchführen
2. Charakterisieren Sie die Prüfvorrichtung (Induktivität und Widerstand) bei 360 KHz: L_TX, L_RX, R_TX, R_RX, L_M, R_M 
3. Charakterisieren Sie die Anschlussdrähte der Spule
4. Ermitteln der (0,0)-Position mit Hilfe des elektrischen Mittelpunkts
   1. Bringen Sie die T_x- und GRx-Spule in die richtige Position.  
   2. Stellen Sie die Spulenposition ein (in x- und y-Richtung) und ermitteln Sie den elektrischen Mittelpunkt, an dem Sie die geringste gegenseitige Induktivität erhalten.  

Anmerkung: Diese Position unterscheidet sich von der Position der magnetischen Befestigung. Die Position der magnetischen Befestigung wird auch als „Magnetische Mitte“ bezeichnet.

1. Messen Sie L'_TX, L'_RX, R'_TX, R'_RX, L_M, R_M
2. Verschieben Sie die T_x-Spule um 2 mm in X- oder Y-Richtung (von der elektrischen Mitte aus) und legen Sie einen 2 mm großen Abstandhalter zwischen die Tx- und R_x-Spulen. Diese Position wird als (2,2) bezeichnet. 
3. Messen Sie L'_TX, L'_RX, R'_TX, R'_RX, L_M, R_M
4. Wiederholen Sie den gleichen Vorgang für 128KHz  
5. Vergleichen Sie die Berechnung mit den Grenzwerten

Hinweis: Stellen Sie sicher, dass Ihre Spulen optimal ausgelegt sind, da dadurch die Testergebnisse variieren können.

Sehen Sie sich das komplette Webinar an oder laden Sie die Präsentationsfolien herunter, um die vollständige Liste der LQK-Messgeräte zu sehen.

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GRL-C3-MP-TPR & GRL-C3-TPT Qi2 Wireless Charging Transmitter & Receiver Testers

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Über den Autor

Rajaraman Venkatachalam

Geschäftsführender Vizepräsident für Protokoll- und Stromversorgungslösungen

Raja verbrachte über 23 Jahre in der Technologieentwicklung bei GRL, Tektronix, Intel und Prodigy Technovations. Raja ist an der Entwicklung neuer Technologien beteiligt und ermöglicht es Unternehmen, diese in ihrem Produktdesign zu übernehmen. Er hat Erfahrung mit Validierungsmethoden der Siliziumherstellung und mit der Entwicklung von Lösungen für die Prüfung der elektrischen und protokollarischen Konformität und ist Experte für mehrere Technologien, darunter USB und Qi.