Piața produselor USB Power Delivery (PD) continuă să crească datorită dispozitivelor electronice portabile, alimentate de la baterii, cum ar fi telefoane mobile, laptopuri, boxe wireless, scule electrice și multe altele. USB PD oferă un mare beneficiu consumatorilor, deoarece poate furniza până la 240 W (în specificația USB PD Revision 3.1) de la același conector USB Type-C. Figura 1 prezintă un telefon mobil care se încarcă prin intermediul unui conector USB Type-C.
Figura 1: Un telefon mobil cu conector USB Type-C pentru încărcare (© iStock/Supersmario) ▶
USB PD ridică noi provocări cu privire la cerințele de alimentare datorită diversității combinațiilor de tensiune și curent disponibile – 5V, 9V, 15V, 20V, 28V, 36V, 48V și 1,5A, 3A, 5A etc. – pentru a asigura gama largă de putere pe care o poate furniza standardul USB PD. Sursa de alimentare, precum un adaptor de perete și dispozitivele conectate, cum ar fi un telefon mobil, își transmit capabilitățile de alimentare și, respectiv, nevoile de alimentare, la niveluri adecvate de tensiune și curent înainte ca sursa să furnizeze puterea prin cablul USB.
Unele soluții necesită mai multe circuite integrate (IC), inclusiv detectoare de porturi, microcontrolere și încărcătoare pentru furnizarea de putere. Deși aceste soluții funcționează, ele ocupă spațiu pe o placă, cresc costul soluției și necesită un firmware personalizat, a cărui elaborare poate necesita mult timp.
Un controler PD autonom poate contribui la soluționarea acestor provocări prin administrarea negocierilor privind alimentarea cu energie fără dezvoltarea de firmware.
Cerințe de alimentare USB-C PD
Unul dintre avantajele semnificative ale USB PD este acela de a permite utilizatorilor să-și încarce telefonul mobil de 2,5 W și mașina de găurit fără fir de 25 W folosind același cablu și adaptor de alimentare. Zilele în care sertarele vor fi pline de diverse cabluri sau în care nu veți găsi niciodată încărcătorul potrivit vor fi de domeniul trecutului.
Înainte de a începe să analizăm USB PD, este esențial să examinăm standardele USB anterioare pentru a înțelege unele dintre avantajele și provocările USB PD. Primele standarde USB – USB 1.1 și USB 2.0 – erau destinate mai degrabă transmiterii de date decât transmiterii de putere. Acestea nu permit decât o livrare maximă de 5V și 500mA pe un cablu USB.
Cu timpul, utilizatorii au început să ceară mai mult de la USB. Aceștia doreau să încarce rapid o baterie prin intermediul unui cablu USB, unde un curent maxim de 500mA nu mai era adecvat. Standardul BC1.2 a răspuns cerințelor clienților, permițând transferul a până la 7,5 W – 5V și 1,5A – prin intermediul unui cablu USB.
Figura 2: Capabilitățile de putere ale fiecărei specificații USB (© Analog Devices)
Standardul BC 1.2 extinde abilitatea de a încărca o baterie prin USB, iar fiecare nou standard USB după BC1.2 a sporit capabilitățile de alimentare. Type-C 1.3 extinde la 15W (maxim) performanța energetică, în timp ce USB PD 3.0 îmbunătățește puterea sistemului la 100W (max.). Cea mai recentă actualizare a specificațiilor, USB PD3.1, extinde și mai mult capabilitatea de putere până la 240W (max.).
BC1.2 și Type-C 1.3 continuă să furnizeze linia de tensiune de 5 V utilizată în toate versiunile anterioare ale standardului USB și au crescut capabilitățile de putere la 7,5 W și, respectiv, 15 W, mărind curentul maxim la 1,5 A și, respectiv, 3 A. USB PD3.0 a crescut, de asemenea, atât capabilitățile de curent, cât și cele de tensiune pentru a ajunge la 100W ( max.). Acesta permite ca două dispozitive să transfere până la 20V și 5A prin intermediul unui cablu USB. Noua specificație PD3.1 suportă până la 48V și 5A.
Figura 2 sintetizează capabilitățile de putere și curentul și tensiunea maxime pe care le permite fiecare standard USB.
Liniile de tensiune pe care le furnizează o sursă de energie USB PD sunt variabile. Standardul USB PD 3.1 prevede că o sursă de alimentare nu numai că trebuie să ofere o tensiune minimă de 5V și o tensiune maximă de 48V, dar trebuie să ofere și câteva linii de tensiune intermediare.
Figura 3: Capabilități de tensiune și curent USB PD3.0 (© Analog Devices)
Standardul USB PD 3.0 impune ca o sursă de alimentare să ofere linii de tensiune specifice în funcție de capabilitățile de putere ale acesteia. Sursele care pot furniza mai mult de 15 W trebuie să ofere linii de 5V și 9V. Cele care pot furniza mai mult de 27W trebuie să ofere linii de 5V, 9V și 15V. În sfârșit, sursele care pot furniza mai mult de 45W trebuie să ofere linii de 5V, 9V, 15V și 20V.
Sursa de putere oferă, de asemenea, diferite ieșiri de curent la fiecare dintre aceste linii de tensiune. O sursă de alimentare cu o linie de 5V furnizează între 500mA și 3A la această linie. Cele cu o linie de 9V transferă curenți între 1,67A și 3A la 9V. O sursă de alimentare furnizează între 1,8A și 3A la linia de 15V. În fine, sursele de alimentare furnizează între 2,25A și 5A la 20V (figura 3).
Standardul USB PD 3.1 adaugă trei linii de tensiune suplimentare pentru sursele de alimentare. Sursele oferă linii de tensiune fixe de 28V, 36V și 48V pentru a suporta niveluri de putere de până la 140W, 180W și, respectiv, 240W. O sursă de alimentare trebuie să furnizeze până la 5A pentru fiecare dintre aceste linii de tensiune.
În plus față de sursele standard de tensiune și curent, specificația USB PD oferă, de asemenea, o capabilitate de sursă de alimentare programabilă (PPS – Programmable Power Supply). Aceasta permite dispozitivelor conectate (in-line) să solicite mici modificări ale tensiunii și curentului de la sursa de alimentare.
Caracteristica PPS este deosebit de utilă pentru a accelera încărcarea bateriilor litiu-ion prin optimizarea punctului de operare pentru încărcătorul în comutație. În timpul fazei de curent constant a unui ciclu de încărcare, încărcătorul furnizează bateriei un curent fix, iar tensiunea bateriei va crește lent până la tensiunea maximă la care se încheie încărcarea. În mod normal, intrarea încărcătorului va fi fixă, ceea ce creează pierderi de putere atunci când intrarea încărcătorului este mult mai mare decât tensiunea bateriei. Funcția PPS reglează tensiunea de intrare a încărcătorului astfel încât acesta să funcționeze aproape de eficiența sa maximă. Având ca rezultat o disipare mai mică de putere, bateria poate fi încărcată mai repede, la un curent de încărcare mai mare.
PPS permite nenumărate combinații de tensiune și curent pe un cablu USB. Proiectanții care doresc să utilizeze funcția PPS trebuie să găsească o modalitate prin care o sursă de putere și un dispozitiv conectat să cadă de acord asupra cantității de putere pe care ar trebui să o furnizeze sursa.
Blocuri de proiectare USB-C PD
Figura 4: Diagrama bloc a unui dispozitiv USB PD (© Analog Devices)
Nu este o sarcină ușoară ca încărcarea să debuteze în cadrul unui sistem USB PD discret. O sursă de alimentare, precum o priză de perete, se conectează la dispozitivul aflat în linie, cum ar fi un telefon sau o mașină de găurit, prin intermediul unui cablu USB. Ambele dispozitive au nevoie, de obicei, de mai multe circuite integrate pentru a implementa comunicația de tip “dus-întors”, pentru ca sursa de alimentare să fie pregătită să furnizeze energie electrică dispozitivului în linie (figura 4).
Circuitul integrat de detecție a pinilor CC identifică orientarea cablului și capabilitatea sursei de curent prin măsurarea tensiunii de la pinii CC. Acest circuit integrat solicită, de asemenea, capabilitățile de tensiune și curent ale sursei de alimentare și comunică înapoi la sursa de alimentare atunci când dispozitivul conectat în linie selectează o tensiune și un curent.
Circuitul integrat de detecție BC1.2 acceptă adaptoare USB tradiționale. Deși dispozitivele mai noi adoptă pe scară mai largă USB Type-C, multe aplicații folosesc încă specificații USB mai vechi. Porturile compatibile cu BC1.2 au pinii D+/D- în loc de pinii CC pentru a transmite capabilitățile de putere ale unei surse de alimentare. Circuitul integrat de detecție BC1.2 citește pinii D+/D- pentru a configura încărcarea pentru aplicațiile care încă folosesc standarde USB vechi.
Circuitul integrat al încărcătorului permite o încărcare sigură și eficientă a bateriei dispozitivului conectat. Sursa de putere va furniza o tensiune constantă către dispozitivul în linie, adică sursa de intrare a încărcătorului. Încărcătorul se va asigura apoi că bateria este încărcată conform specificațiilor de tensiune, curent și temperatură ale bateriei.
În cele din urmă, microcontrolerul (MCU) organizează comunicația între celelalte circuite integrate. Acesta dialoghează cu circuitul integrat de detectare a pinului CC pentru a determina nivelul de putere al sursei de alimentare. Apoi, compară capabilitatea sursei de alimentare cu nevoile de putere ale încărcătorului și ale bateriei pentru a determina cantitatea de curent și tensiune pe care ar trebui să o furnizeze sursa de putere. Microcontrolerul comunică setările finale de alimentare înapoi la circuitul integrat de detectare a pinului CC pentru a configura corect sursa de alimentare. Odată confirmate valorile corecte de curent și tensiune, microcontrolerul va configura și activa încărcătorul.
USB PD necesită mai multe elemente decât cele pe care le oferă un USB tradițional sau modelele standard Type-C. Mai multe circuite integrate conduc la costuri și dimensiuni mai mari ale soluției. De asemenea, este nevoie de o proiectare complexă a firmware-ului pentru a gestiona comunicația dintre diferitele elemente și pentru a îndeplini toate cerințele standardului USB PD 3.0. Proiectarea firmware-ului în sine poate crea cicluri de dezvoltare îndelungate, cu excepția cazului în care un proiectant are o cunoaștere profundă a specificațiilor USB.
Controler PD de sine stătător
Figura 5: Controler PD autonom compatibil cu USB Type-C v1.3 și PD 3.0 (© Analog Devices)
Controlerele PD autonome pot contribui la simplificarea proiectelor USB PD având detecția pinilor CC, detecția BC1.2 și microcontrolerul încorporate într-un singur circuit integrat. Designul cu patru circuite integrate se transformă acum în doar două, ceea ce economisește spațiu pe placă și costuri.
Cel mai puternic element integrat în controlerul PD autonom este microcontrolerul încorporat, care integrează toate cerințele standard ale protocolului de comunicație și de sincronizare USB PD 3.0. Proiectantul nu mai trebuie să petreacă timp de dezvoltare pentru a se pune la punct cu aceste specificații.
Un exemplu de controler PD autonom este MAX77958 (figura 5). Două caracteristici unice ale MAX77958 sunt memoria nevolatilă și portul master I2C care controlează direct încărcătorul însoțitor. Ambele caracteristici ajută la eliminarea necesității unui microcontroler extern și a dezvoltării de firmware personalizat.
Proiectanții pot genera scripturi personalizate pentru aplicații tipice utilizând o interfață grafică cu utilizatorul (GUI) și apoi le pot încărca în memoria nevolatilă a circuitului integrat. Controlerul PD execută automat comenzi, cum ar fi alternarea GPIO sau trimiterea unei comenzi I2C către încărcător prin portul master I2C.
Figura 6: Programarea de către utilizator a scriptului de personalizare (© Analog Devices)
Scriptul de personalizare este scris în GUI folosind comenzi simple și ușor de utilizat. Software-ul convertește scriptul de personalizare în format hexazecimal și îl scrie în zona de configurare a circuitului integrat. Dezvoltatorii pot defini funcții și secvențe simple pe baza funcționalității de care au nevoie pentru aplicația lor.
Figura 6 prezintă câteva dintre funcțiile pe care un proiectant le poate utiliza pentru programarea scriptului de personalizare. GUI-ul produce un fișier binar (bin) și hexazecimal (hex) pe baza scriptului de personalizare. Scripturile de personalizare oferă un avantaj unic pentru reducerea radicală a timpului de dezvoltare.
Concluzie
Specificația USB PD extinde în mod semnificativ numărul de dispozitive alimentate de la baterii care se încarcă prin intermediul unui cablu USB. Specificația definește șapte noi linii de tensiune – 5V, 9V, 15V, 20V, 28V, 36V și 48V – pentru a se adapta la o gamă largă de capabilități de alimentare. Sursele de putere și dispozitivele conectate trebuie acum să negocieze un nivel de curent și de tensiune înainte de a începe încărcarea.
Controlerele PD autonome înglobează majoritatea blocurilor într-un singur circuit integrat, ceea ce ajută la simplificarea procesului de proiectare. Unele elimină chiar și necesitatea unui microcontroler extern și a unui firmware personalizat. Controlerele PD de sine stătătoare ajută la accelerarea dezvoltării proiectului pentru a vă asigura că sunteți în fața celor mai recente tendințe în domeniul USB PD.
Referințe generale:
- USB Power Delivery Specification
- USB Power Delivery, prezentare realizată de Bob Dunstan și Petrie, Noiembrie 2019
- USB-C Fundamentals, Videoclip de Sagar Khare, Maxim Integrated, acum parte a Analog Devices, Iunie 2020
- Designing In USB Type-C and Using Power Delivery for Rapid Charging, Digi-Key, Martie 2017
- USB Power Delivery: Convenience and Safety, Renesas
Autor: Sagar Khare
Maxim Integrated®, acum parte a Analog Devices
Despre autor: Sagar Khare este Business Manager în cadrul departamentului Battery Powered Solutions al Maxim Integrated®, acum parte a Analog Devices. El are o experiență vastă în domeniul conversiei de putere, al energiei regenerabile și al managementului bateriilor. Sagar deține un master în inginerie electrică de la Stony Brook University și un master în administrarea afacerilor de la Arizona State University.
Maxim Integrated, parte a Analog Devices
https://www.maximintegrated.com
