Arhitectura Multiport USB-Type-C “preia controlul”

30 NOIEMBRIE 2017

Interfața USB-C revoluționează modul în care încărcăm dispozitivele noastre electronice. Mufa de conectare a standardului Type-C se introduce pur și simplu în smartphone sau în ultrabook, fără a ține cont de o anumită poziție/direcție. Din punct de vedere fizic, conectorul Type-C oferă capabilități reversibile: este bidirecțional (fiecare capăt al cablului poate fi introdus în oricare dintre dispozitive) și ne-polarizat (conectorul se poate introduce indiferent de orientare); sistemele de conectare identifică electric, polaritatea printr-un proces de negociere. În plus față de transferul de date, USB-C suportă, de asemenea, fluxul bidirecțional de energie la un nivel mult mai ridicat. Cu o tensiune standard de 5V, portul USB-C este capabil să negocieze cu un dispozitiv conectat pentru a crește tensiunea portului până la 20V sau la un alt nivel (convenit) de tensiune și la un nivel (de asemenea, negociat) de curent. Puterea maximă livrată de portul de alimentare USB-C este de 100W (20V la 5A), ceea ce este mai mult decât suficient pentru a încărca un laptop. Oferind asemenea rezultate, este ușor de înțeles de ce producătorii de dispozitive electronice se agită să introducă USB-C în produsele lor de generație următoare.

Odată cu utilizarea crescândă a tehnologiei de alimentare prin USB (PD USB – Power Delivery) și USB Type-C, industria computerelor a impus cerințe de performanță semnificative privind regulatorul de tensiune. În comparație cu tensiunile fixe oferite de porturile convenționale USB tip A și USB tip B, USB tip C este un port bidirecțional ce oferă o intrare variabilă și o gamă de tensiuni de ieșire de la 5V la 20V. Tensiunea sa de ieșire reglabilă permite notebook-urilor și altor dispozitive mobile să utilizeze USB Type-C în locul adaptorului de curent AC/DC convențional și al terminalelor USB de tip A și B. Având în vedere aceste avantaje, unii clienți proiectează deja porturi USB de tip C duale sau multiple pentru sistemele lor.
Cu toate acestea, actuala arhitectură a porturilor USB Type-C duale sau multiple este complicată și nu poate îndeplini multe cerințe ale clienților. Acest articol propune o nouă arhitectură, utilizând regulatorul de tensiune ISL95338 (buck-boost) și încărcătorul de baterie combo ISL95521A. Vom discuta despre modul în care această arhitectură simplifică proiectarea și suportă pe deplin toate funcțiile USB-C. Vom descrie, de asemenea, modul în care aceasta poate fi introdusă în schema adaptorului de tensiune pentru a implementa o sursă de alimentare programabilă (PPS – programmable power supply), care trimite tensiune reglabilă la ieșire pentru a se potrivi cu tensiunea de intrare variabilă a portului USB-C.

Figura 1: Arhitectura încărcătorului de baterie pentru porturi duale USB Type-C cu 2x regulatoare BB + încărcător de la Intersil

O nouă arhitectură pentru USB Type-C
Figura 1 prezintă o nouă arhitectură a portului USB de tip C care constă din regulatorul de tensiune bidirecțional BB (buck-boost) ISL95338 și încăr­cătorul de baterie combo ISL95521A sau încăr­cătorul BB de baterie ISL9238. Aceasta permite unui sistem să-și încarce bateria prin porturile USB de tip C și suportă funcția de încărcare rapidă atunci când două încărcătoare PD sunt conectate la USB-C_1 și USB-C_2. Arhitectura suportă, de asemenea, USB 3.0 On-The-Go (OTG) complet pentru ambele porturi, fără circuite suplimentare complexe de logică port-control sau alte circuite integrate. Comparând figura 1 cu figura 2, este ușor de văzut că arhitectura curentă a încărcătorului de baterie necesită mai multe dispozitive și circuite externe complicate pentru a implementa aceleași funcții și nivel de performanță precum arhitectura încărcătorului de baterie de la Intersil. Evident, în sistemul actual de încărcare a bateriei, fiecare cale de încărcare individuală necesită un controler USB-PD pentru a controla două ieșiri ASGATE și pentru a efectua funcția de încărcare, ceea ce crește costul de proiectare al sistemului.

Figura 2: Arhitectura curentă a unui încărcător de baterie – încărcător single BB + logică externă complicată

Pentru a implementa un buck OTG de 5V, OTG GATE are nevoie și de un controler PD. Rețineți că actualul convertor coborâtor poate să ofere la ieșire o singură tensiune fixă.

Figura 2 arată că dacă se adaugă un convertor coborâtor de 5V (5V buck), proiectanții pot obține la ieșire doar o tensiune fixă de 5V, care nu se potrivește cu tensiunea de ieșire OTG reglabilă între 5V și 20V, cerută de multe aplicații USB de tip C.
Arhitectura Intersil propusă depășește toate aceste dezavantaje. Figura 1 arată cum două ISL95338 dispuse în paralel interfațează două porturi USB de tip C la încărcătorul de baterie ISL95521A.
Arhitectura sistemului este simplificată, economisind costuri semnificative pentru clienți, deoarece mai multe componente sunt eliminate, inclusiv contro­lerele individuale PD, ASGATE și OTG GATE.
Cel mai important, utilizând mai puține componente, performanța nu se degradează. De exemplu, dacă bateria trebuie încărcată, alimentarea se face direct de la intrarea USB-C la ISL95521A. În plus, utilizarea în paralel a două ISL95338 oferă și mai multe opțiuni pentru aplicațiile clientului.
De exemplu, două intrări USB-C cu valori de putere diferite pot fi folosite pentru încărcarea totală a bateriei, ceea ce înseamnă că puterea de încărcare a bateriei este mai mare decât puterea livrată de un singur port USB-C. Figura 1 ilustrează modul în care acest lucru poate fi realizat cu un ISL95338 (setat pentru un nivel de putere mare USB-C) în buclă de tensiune pentru a suporta o tensiune constantă (V0) pentru intrarea ISL95521A, în timp ce celălalt modul ISL95338 (setat la un nivel de putere mic USB-C) este în buclă de curent pentru a livra automat puterea maximă la ISL95521A. Cu alte cuvinte, nu este nevoie să se adauge circuite sau logică externă pentru a determina operarea la nivele de putere diferite ale celor două regulatoare de tensiune BB paralele ISL95338.

Figura 3: Arhitectura încărcătorului de baterie cu patru porturi USB de tip C – cu 4 regulatoare BB + încărcător (buck) de la Intersil

Bucla de control din interiorul ISL95338 poate fi selectată automat pe baza unor valori de putere diferite pentru a utiliza în întregime sursa de intrare. Pentru funcția OTG, puterea bateriei poate fi livrată printr-o diodă care asigură transferul de la ISL95338 la ieșirea USB-C. Acest lucru elimină necesitatea unui buck de 5V și a unei porți OTG, precum în figura 2. De asemenea, prin utilizarea comunicației SMBus între cele două module ISL95338, ISL95521A și controlerul PD, tensiunea OTG poate fi ajustată în locul utilizării unei valori fixe. Figura 3 prezintă o aplicație de încărcare rapidă de mare putere, unde noua arhitectură de încărcare a bateriei create de Intersil poate fi extinsă la patru module paralele ISL95338 și un încărcător de baterie ISL95521A sau ISL9238. Fiecare port USB-C poate funcționa individual ca o ramificație sau ca o sursă. Această arhitectură poate, de asemenea, să combine adaptorul convențional ca sursă de alimentare pentru sistem, fără a crește costul materialelor (BOM).

Sursă de alimentare programabilă
În cazul aplicațiilor convenționale USB tip A și USB tip B, tensiunea de intrare are o valoare fixă, ceea ce aduce noi provocări pentru USB Type-C, deoarece USB-C poate accepta și tensiuni de intrare variabile. Soluția vine de la funcția PPS (sursă programabilă de putere), care permite programarea și ajustarea tensiunii de ieșire și a curentului de ieșire în pași de 20mV/50mA pentru optimizarea căii de alimentare.

Figura 4: Noua arhitectură PPS de la Intersil

Așa cum se arată în figura 4, regulatorul BB de tensiune ISL95338 funcționează bine cu PPS deoarece aceasta transmite o tensiune bidirecțională reglabilă utilizând comunicația SMBus de la controlerul USB-PD.

Concluzie
Introducerea circuitului ISL95338 într-un sistem de încărcare a bateriei USB Type-C multiport, permite o nouă arhitectură de încărcare ușor de utilizat. În comparație cu arhitectura de încărcare disponibilă în prezent, noua arhitectură de la Intersil poate fi implementată la un cost mult mai mic, pentru a obține performanțe mai ridicate, o încărcare mai rapidă și o durată mai lungă de viață a bateriei. În plus, toate cerințele USB de tip C sunt în conformitate deplină, inclusiv capacitatea de a adresa funcția PPS, una dintre cele mai importante caracteristici USB cerute de aplicațiile viitoare. Pentru mai multe informații despre regulatorul bidirecțional (buck-boost) ISL95338, vă rugăm să vizitați www.intersil.com/products/isl95338.

Despre autori
Xunwei Yu și Sungkeun Lim sunt ingineri de aplicații la departamentul Mobile Power Management al companiei Intersil, situat în Research Triangle Park, North Carolina. Xunwei Yu a obținut titlul de doctor la Universitatea de Stat din Carolina de Nord. Sungkeun Lim a obținut diploma BSEE la Universitatea Dong-A, Busan, Coreea de Sud și diploma MSEE precum și titlul de doctor la Universitatea de Stat din Carolina de Nord.

Intersil   |     www.intersil.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *