Ein häufiges Problem bei der Entwicklung ultrakompakter Wearables: Die Spule für drahtloses Laden passt geometrisch ins Gehäuse, aber der Wirkungsgrad bricht unter 60 Prozent ein, sobald ein Metallakku in unmittelbarer Nähe platziert wird. Zwei realistische Lösungspfade existieren – PCB-integrierte Spule mit Ferritabschirmung oder externe Flachspule mit definiertem Abstand zum Akku. Beide haben unterschiedliche Konsequenzen für Bauraum, Kosten und Zertifizierungsaufwand.

Dieser Artikel behandelt die relevanten Entscheidungen beim Entwurf von Wireless-Charging-Systemen für Wearables: Spulenintegration im PCB, Technologiewahl, Effizienzoptimierung und Zertifizierungspfade – mit konkreten Zahlen und Bedingungen, unter denen die jeweilige Lösung trägt oder versagt.

Physikalische Grundlagen und deren Systemkonsequenzen

Induktives Laden überträgt Energie über ein magnetisches Wechselfeld zwischen Sende- und Empfängerspule. Qi arbeitet im Bereich 100–205 kHz. Der Kopplungskoeffizient k zwischen den Spulen bestimmt direkt den erreichbaren Wirkungsgrad – bei k < 0,3 steigen die Verluste durch Streuinduktivität auf ein Niveau, das in Wearables mit kleinen Akkus thermisch kritisch wird.

Resonantes Laden nach AirFuel arbeitet bei 6,78 MHz. Das erlaubt größere Abstände und mehr Ausrichtungstoleranz, erhöht aber die Anforderungen an EMV-Design und Abschirmung erheblich – relevant, wenn BLE oder ANT+ im selben Gerät aktiv sind. Magnetisch ausgerichtete Ladekontakte sind galvanisch verbunden und fallen damit aus der Betrachtung für echte Wireless-Charging-Systeme heraus; sie vereinfachen das Design, beseitigen aber nicht das Kontaktproblem.

Failure Mode: Wird die Resonanzfrequenz des Empfänger-LC-Kreises nicht präzise auf den Sender abgestimmt – typischerweise durch Fertigungstoleranzen bei Spulenwindungen oder Kondensatoren – verschiebt sich der Arbeitspunkt aus dem Effizienzmaximum. Bei 5-Prozent-Abweichung der Resonanzfrequenz sinkt der Wirkungsgrad messbar; bei 10 Prozent kann das System in bestimmten Lastbereichen instabil werden.

Technologiewahl: Qi gegen AirFuel unter realen Wearable-Constraints

Qi eignet sich für Wearables mit Ladeleistungen zwischen 50 mW und 1 W, definierter Ladeposition und Gehäusen ohne großflächige Metallstrukturen. Chip-Unterstützung von Texas Instruments (BQ51003), Renesas (P9025) und NXP ist breit verfügbar; Receiver-ICs kosten bei 10.000 Stück zwischen 0,80 und 1,40 USD. Die Qi-Zertifizierung durch das Wireless Power Consortium ist bei Produkten mit Qi-Logo-Anforderung obligatorisch und kostet je nach Testumfang 3.000–8.000 EUR.

AirFuel resonant ist sinnvoll, wenn das Wearable nicht reproduzierbar auf einer Ladefläche positioniert werden kann – etwa ein industrieller Patch-Sensor, der in eine Dockingstation mit variablem Einlegewinkel fällt. Die höhere Frequenz erlaubt dünnere Spulen, erzeugt aber stärkere Interferenzen mit 2,4-GHz-Funktechnik im selben Gehäuse. Ohne dedizierte Abschirmmaßnahmen sind BLE-Paketfehlerraten unter Ladeaktivität messbar erhöht.

Failure Mode: Teams, die AirFuel für ein medizinisches Wearable wählen, unterschätzen regelmäßig den Zertifizierungsaufwand. Die IEC 60601-1-2 (EMV für Medizinprodukte) erfordert Prüfungen, die bei 6,78-MHz-Systemen mit höherem Aufwand verbunden sind als bei Qi-Systemen im unteren Frequenzbereich. Das verlängert den Zertifizierungspfad um 4–8 Wochen.

Spulenintegration im PCB: Entscheidungskriterien und Fehlerquellen

PCB-integrierte Spiralspulen auf mehreren Lagen sind die platzsparendste Option für Wearables unter 40 mm Durchmesser. Die erreichbare Induktivität hängt von Lagenanzahl, Leiterbahnbreite und -abstand sowie Kupferdicke ab. Ohne Simulation (z. B. mit Ansys HFSS oder Comsol) ist die tatsächliche Induktivität nach Fertigung kaum vorhersagbar – Abweichungen von 15–25 Prozent gegenüber der analytischen Schätzung sind ohne Feldberechnung üblich.

Ferritfolie unter der Spule ist bei Metallakkus in unmittelbarer Nähe nicht optional. Sie bündelt den Magnetfluss zur Ladeseite hin und reduziert Wirbelstromverluste im Akku. Ohne Ferritfolie sinkt der Kopplungskoeffizient bei einem Lithium-Polymer-Akku mit Aluminiumgehäuse in 1-mm-Abstand typischerweise um 30–50 Prozent. Ferritfolien mit geeigneter Permeabilität (µr 100–200) kosten bei 10.000 Stück 0,15–0,40 USD pro Einheit.

Failure Mode: Wird die Ferritfolie zu groß dimensioniert oder falsch platziert, entstehen Sättigungseffekte bei höheren Ladeströmen. Ein gesättigter Ferrit verliert seine Abschirmwirkung abrupt – der Wirkungsgrad bricht ein, und die Wärmeentwicklung im Akku steigt. Dieser Effekt tritt nicht im Normalbetrieb auf, sondern erst bei Fremdkörpern auf der Ladefläche oder bei Fehlausrichtung mit erhöhter Sendeleistung.

Metallische Abschirmungen, Gehäuseteile und andere Leiter müssen mit ausreichendem Abstand zur Spule platziert werden. Als Richtwert gilt: Der Abstand zwischen Spulenaußenkante und nächstliegendem Metallbauteil sollte mindestens dem Spulenradius entsprechen. Bei PCBs mit beengtem Layout ist das eine harte Designrestriktion, die früh im Floorplanning gesetzt werden muss.

Effizienz: Wo Verluste entstehen und wie sie sich begrenzen lassen

Induktive Ladesysteme für Wearables erreichen unter optimalen Bedingungen 80–88 Prozent Wirkungsgrad. Unter realen Bedingungen – Fehlausrichtung, Fertigungstoleranzen, Temperatureffekte – liegt der Systemwirkungsgrad häufig bei 70–78 Prozent. Jedes Prozent Verlust bei einem 100-mAh-Akku bedeutet zusätzliche Wärme, die in einem dichten Gehäuse ohne Konvektion abgeführt werden muss.

Adaptive Laderegelung über den Lade-IC reduziert Verluste in der CV-Phase (Konstantspannungsphase), in der der Strom bereits abnimmt, die Übertragungsfrequenz aber konstant bleibt. ICs mit dynamischer Frequenzanpassung – etwa der BQ51050B von Texas Instruments – passen die Betriebsfrequenz innerhalb des Qi-Bandes an den aktuellen Lastzustand an und halten den Arbeitspunkt näher am Effizienzmaximum.

Foreign Object Detection (FOD) ist bei Wearables mit Metallgehäuse oder metallischen Accessoires in der Umgebung keine optionale Funktion. Ein nicht erkanntes Metallobjekt im Feld erzeugt Wirbelstromverluste, die die Ladezeit verlängern und die Temperatur im Gehäuse erhöhen. Bei SAR-relevanten Wearables (Körperkontakt) kann das zu einer Überschreitung der thermischen Grenzwerte führen, bevor der Temperatursensor reagiert.

Failure Mode: Power-Management nach abgeschlossenem Ladevorgang wird in frühen Prototypen regelmäßig vernachlässigt. Bleibt das Receiver-IC im aktiven Zustand, zieht es 5–15 mW Standby-Leistung aus dem Akku. Bei einem 80-mAh-Akku entspricht das einer Selbstentladung von mehreren Prozent pro Stunde – relevant für Wearables, die zwischen Nutzungszyklen auf der Ladestation liegen.

Zertifizierungspfade: Zeitplan, Kosten und häufige Fehler

CE-Kennzeichnung für Wearables mit Wireless Charging erfordert Konformität mit der RED-Richtlinie (2014/53/EU), EMV-Prüfungen nach EN 55032/55035 und Sicherheitsprüfungen nach EN 62368-1. Der typische Zeitrahmen für CE-Zertifizierung beträgt 8–14 Wochen, abhängig von der Auslastung des Prüflabors und der Qualität der technischen Dokumentation. FCC-Zulassung für den US-Markt läuft parallel und dauert 6–10 Wochen; beide Prozesse können mit einem Zeitpuffer von 4 Wochen überlappend geplant werden.

Qi-Zertifizierung ist nur erforderlich, wenn das Qi-Logo auf dem Produkt oder in der Vermarktung verwendet wird. Ohne Logo-Anforderung kann ein Qi-kompatibles System ohne WPC-Zertifizierung auf den Markt gebracht werden – mit dem Risiko, dass Interoperabilität mit Drittladegeräten nicht garantiert ist. Für B2B-Produkte mit eigenem Ladeequipment ist das oft akzeptabel.

Medizinische Wearables nach MDR 2017/745 erfordern zusätzlich ISO 13485-Zertifizierung des QM-Systems, eine klinische Bewertung und biokompatible Materialien nach ISO 10993. Der Gesamtzeitrahmen für MDR-Konformität bei einem Klasse-I-Produkt mit Messfunktion beträgt realistisch 12–18 Monate. Teams, die MDR-Anforderungen erst nach dem Hardware-Freeze einplanen, riskieren Redesigns bei Materialauswahl und Gehäusegeometrie.

Failure Mode: EMV-Prüfungen scheitern häufig an unzureichender Schirmung der Ladeelektronik gegenüber dem Funkmodul im selben Gerät. BLE-Transmissionen während des Ladevorgangs erzeugen Emissionsspitzen, die außerhalb der Qi-Betriebsfrequenz liegen und in EMV-Messungen auffallen. Dieses Problem lässt sich durch zeitliches Interleaving von Ladezyklen und BLE-Advertising-Intervallen in der Firmware entschärfen – erfordert aber koordiniertes Hardware-Software-Design von Anfang an.

Wie Oxeltech bei der Entwicklung von Wearables mit drahtlosem Laden hilft

Oxeltech begleitet Produktteams bei der Entwicklung von Wearables mit Wireless Charging – von der Spulenintegration im PCB-Floorplanning bis zur Zertifizierungsvorbereitung. Der Fokus liegt auf Systemen, bei denen Bauraum, Wärmehaushalt und Zertifizierungsanforderungen gleichzeitig bindend sind.

Konkret unterstützen wir bei:

• Spulengeometrie-Simulation und Ferritmaterialauswahl für Formfaktoren unter 40 mm Durchmesser
• EMV-gerechtem PCB-Layout mit thermischem Management für Ladeelektronik und Akku
• Firmware-Entwicklung für Laderegelung, adaptives Power-Management und BLE/Charging-Interleaving auf STM32-, NXP- und ARM-Cortex-Plattformen
• Koordinierter Integration von Wireless Charging und 2,4-GHz-Funktechnik ohne gegenseitige Interferenz
• Zertifizierungsvorbereitung für CE, FCC und Qi – inklusive technischer Dokumentation und Prüflaborkoordination

Wir haben mehr als 20 Hardwareprodukte vom Konzept bis zur Serienproduktion begleitet. Wenn Sie ein Wearable mit drahtlosem Laden entwickeln und konkrete Fragen zu Spulendesign, Zertifizierungspfad oder Systemarchitektur haben, nehmen Sie Kontakt auf.

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