USB-C PD 3.1 EPR: O soluție completă de proiectare a sistemului, de la priză la baterie
Protocolul USB-C Power Delivery (PD) 3.1 Extended Power Range (EPR) reprezintă un progres major în tehnologia modernă de încărcare a bateriilor. Pe măsură ce dispozitivele electronice destinate consumatorilor devin tot mai puternice, cererea pentru încărcare rapidă prin conectori compacți și universali a crescut semnificativ.
USB-C PD 3.1 EPR răspunde acestei nevoi, permițând furnizarea unei puteri de până la 240 W, o îmbunătățire notabilă față de limita anterioară de 100 W din standardele USB-C PD precedente.
Această evoluție extinde gama de dispozitive ce pot fi alimentate prin USB-C PD: laptopuri de înaltă performanță, unelte electrice, aspiratoare, periferice cu consum ridicat de energie și chiar electrocasnice mici. În plus, utilizatorii beneficiază de un conector standardizat și de timpi reduși de încărcare a bateriei.
Articolul prezintă o implementare completă a soluției “de la priză la baterie” (Wall-to-Battery) pe baza standardului USB-C PD 3.1 EPR. Paragrafele următoare detaliază fiecare bloc fundamental al sistemului: de la adaptorul AC-DC și încărcătorul USB-C PD, până la sistemul de management al bateriei (BMS – Battery Management System).
USB-C PD 3.1 EPR: Prezentare generală a soluției
Figura 1: Diagrama bloc a sistemului USB-C PD 3.1 EPR Wall-to-Battery. (Sursă: Renesas)
Tehnologia USB-C PD joacă un rol cheie în simplificarea alimentării pentru o gamă largă de dispozitive, reducând considerabil timpul de încărcare, îmbunătățind randamentul energetic și experiența utilizatorului.
Un sistem standard USB-C PD 3.1 EPR include următoarele blocuri:
- Adaptor AC-DC USB-C 240W cu randament ridicat. Acest adaptor utilizează semiconductori cu bandă interzisă largă (WBG – Wide Bandgap), precum nitrura de galiu (GaN), pentru a obține eficiență superioară și frecvențe de comutare mai mari, ceea ce reduce dimensiunea încărcătorului. Etajul intercalat de tip Boost PFC (Power Factor Correction) este urmat de un convertor DC-DC izolat. Printre topologiile DC-DC cele mai utilizate pentru gama de putere de 240 W se numără Flyback și Asymmetric Half-Bridge.
- Soluție de încărcare bidirecțională de 48V cu gamă extinsă de putere (EPR – Extended Power Range). Încărcătorul bidirecțional de 48 V permite ambele moduri de operare: Sink (consum de curent) și Source (furnizare de curent) conform specificației USB-PD. Un circuit integrat de control comandă patru MOSFET-uri externe în configurație H-Bridge pentru etapa de alimentare.
Acest subsistem include, de regulă, un controler de port Type-C (TCPC), care gestionează bus switch-ul (comutator de magistrală) și pinii CC, precum și un manager de port Type-C (TCPM), responsabil de controlul unuia sau mai multor porturi. TCPC și TCPM sunt adesea integrate într-o singură capsulă pentru optimizarea spațiului pe placă și a costurilor.
- Sistem de management al bateriei (BMS). Battery Management System monitorizează continuu parametrii critici: starea de încărcare (SoC – State of Charge), starea de sănătate (SoH – State of Health), temperatura și curentul de încărcare/descărcare. Astfel, se garantează funcționarea sigură și fiabilă. În plus, sistemul echilibrează nivelul de încărcare al celulelor din întregul pachet de baterii, maximizând performanța și durata de viață.
Următoarele capitole descriu detaliat aceste blocuri fundamentale: adaptorul AC-DC, încărcătorul USB-C PD și sistemul de management al bateriei.
Adaptor AC-DC USB-C PD de 240 W
Protocolul recent USB-C PD 3.1 EPR necesită o conversie AC-DC de înaltă eficiență, care implică mai multe componente cheie. Circuitul de corecție a factorului de putere (PFC – Power Factor Correction) are rolul de a asigura că puterea extrasă din rețea respectă reglementările privind factorul de putere (PF) și distorsiunile armonice totale (THD – Total Harmonic Distortion). Astfel, se reduce puterea reactivă și se îmbunătățește eficiența energetică globală.
Figura 2: Diagrama bloc a adaptorului AC-DC de 240W pentru USB-C PD 3.1 EPR. (Sursa: Renesas)
Un convertor DC-DC izolat secundar transformă eficient ieșirea de înaltă tensiune a PFC (în general între 360 și 400 V) în tensiunea de 48 V – nivelul maxim admis de standardul USB-C PD 3.1 EPR.
Soluțiile AC-DC de la Renesas, prezentate în figura 2, permit timpi de încărcare rapizi și conversie eficientă, utilizând un controler avansat împreună cu tranzistoare GaN HEMT (Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor).
Controlerul PFC intercalat R2A20132SP, asociat cu tranzistorul GaN HEMT TP65H150G, asigură eficiență ridicată și riplu redus pe magistrala DC de înaltă tensiune.
Convertorul Flyback iW9801 Zero-Voltage Switching (ZVS), împreună cu tranzistorul GaN HEMT TP65H070G (rezistență RDS(on) de 70 mΩ), furnizează energia necesară pentru alimentarea controlerului de pe partea secundară, iW780, generând o ieșire DC de până la 48 V / 5 A.
Controlerul secundar iW780, menționat mai sus, implementează protocolul USB-C PD 3.1 EPR, făcând convertorul AC-DC universal – potrivit atât pentru adaptoare cu un singur port, cât și pentru modele multiport, conform figurii 2. Aceste soluții certificate pot fi integrate cu ușurință în proiecte comerciale, oferind producătorilor soluții de încărcare fiabile și eficiente, compatibile cu cele mai noi specificații USB-C și cu standardul european pentru un conector unic de încărcare (USB-C).
Soluție de încărcare USB-C PD bidirecțională de 48V
Soluția de încărcare USB-C PD 3.1 Extended Power Range (EPR) este proiectată pentru a furniza până la 240 W atât în modul Sink (consum de curent), cât și Source (furnizare de curent). Această arhitectură utilizează o tensiune de magistrală de până la 48 V și un curent maxim de 5 A.
Pentru a minimiza pierderile de conversie și pentru a evita problemele termice, este folosit un convertor DC-DC Buck-Boost bidirecțional, cu randament ridicat. Acesta include, de obicei, un controler cu patru bucle de control (CC/CV de intrare și de ieșire), care comandă patru MOSFET-uri discrete de 60/80 V în configurație H-Bridge. Controlerul TCPC gestionează bus switch-urile (comutatoare de magistrală), citește semnalele CC și comunică bidirecțional cu microcontrolerul TCPM. În multe cazuri, controlerul de port și managerul de port sunt integrate într-un singur cip.
Figura 3: Diagrama bloc a soluției USB-C PD 3.1 EPR. (Sursa: Renesas)
Soluția Renesas USB-C PD 3.1 EPR este ilustrată în figura 3. Portofoliul companiei include controlerul Buck-Boost RRB86848, de ultimă generație, care suportă flux bidirecțional de curent și funcționare robustă, pentru tensiuni de intrare și ieșire de până la 54 V. Noua tehnologie MOSFET Split-Gate de la Renesas oferă rezistență RDS(on) redusă și performanțe excelente de comutare pentru aplicații de înaltă putere și frecvență ridicată.
Dispozitivul R9A02G0151 Single USB Type-C Port Manager funcționează împreună cu mai multe controlere de port RAA489400 Type-C, pentru a implementa toate funcțiile USB PD – inclusiv negocierea alimentării și suportul pentru modurile alternative (Alternate Mode support) – necesare în gestionarea mai multor porturi USB Type-C. Această caracteristică minimizează dimensiunea și costul total al soluției prin reducerea numărului de manageri de port necesari în proiect.
Sistemul de management al bateriei
Sistemul de management al bateriei (BMS) este o componentă esențială în toate dispozitivele alimentate de la baterii, asigurând funcționarea sigură și eficientă a acestora. Cele trei funcții principale ale unui BMS sunt monitorizarea, protecția și echilibrarea celulelor.
BMS monitorizează permanent starea celulelor din pachetul de baterii – tensiunea, temperatura și nivelul de încărcare (SoC – State of Charge). În plus, previne condiții critice precum supraîncărcarea, descărcarea excesivă, scurtcircuitele și thermal runaway (scăpările termice). Nu în ultimul rând, BMS asigură distribuirea uniformă a sarcinii între celule, maximizând durata de viață și performanța bateriei.
Aceste funcții pot fi implementate fie cu dispozitive discrete, fie cu un circuit integrat pentru managementul bateriei (BMIC – Battery Management Integrated Circuit). Tranzistoarele MOSFET, utilizate ca switch-uri, controlează procesele de încărcare și descărcare, permițând reglajul precis al fluxului de curent – element esențial pentru protecția celulelor și pentru menținerea eficienței. Datele exacte privind tensiunea, curentul și temperatura sunt obținute prin convertoare analog-digitale, iar fiabilitatea este garantată de o sursă de alimentare stabilă pentru BMS și componentele asociate.
Figura 4: Diagrama bloc a BMS, detaliind Fuel-Gauge IC (FGIC). (Sursa: Renesas)
Dispozitivul FGIC RAJ240100 de la Renesas integrează toate aceste blocuri funcționale, reducând dimensiunea și costurile. În plus, include un microcontroler cu funcție de măsurare a nivelului de energie stocată (fuel gauging). RAJ240100 suportă pachete de baterii de la 3 până la 10 celule, fiind utilizat pe scară largă în unelte electrice, drone de înaltă performanță, laptopuri profesionale și alte aplicații. O schemă bloc este prezentată în figura 4.
Circuitul RAJ240100 este livrat cu firmware de fuel gauging preîncărcat, ceea ce permite proiectanților să reducă timpul de cercetare și dezvoltare (R&D), precum și efortul de testare și validare, scurtând semnificativ timpul până la lansarea pe piață a produsului final.
Concluzii
Renesas este partenerul ideal pentru proiectarea de sisteme și aplicații care necesită expertiză extinsă în gestionarea puterii, procesare embedded, soluții de conectivitate, circuite analogice și integrarea senzorilor.
Portofoliul diversificat de soluții de putere al Renesas include convertoare DC-DC, convertoare AC-DC și dispozitive discrete, precum MOSFET-uri din siliciu și tranzistoare GaN HEMT. Acestea asigură eficiență ridicată și fiabilitate, fiind adaptate la o gamă largă de cerințe de putere. Astfel, Renesas devine un partener de încredere atât pentru adaptoare AC-DC, cât și pentru încărcătoare USB-C PD și sisteme de management al bateriei pentru aplicații variate.
În plus, compania oferă suport tehnic avansat și instrumente de dezvoltare, care facilitează integrarea rapidă și fără probleme a soluțiilor în numeroase industrii.
Autor
Marco Ruggeri,
Energy & Datacenter Power System Architect Manager
Renesas Electronics Europe
Glosar de termeni
- Fuel gauging – tehnologie care evaluează nivelul de energie stocată într-o baterie, prin măsurarea energiei încărcate și descărcate
- PFC (Power Factor Correction) – corecție a factorului de putere, folosită pentru a reduce consumul reactiv și armonicile, îmbunătățind eficiența energetică.
- GaN HEMT – tranzistor cu mobilitate înaltă într-un semiconductor pe bază de nitrură de galiu, folosit pentru comutare rapidă și eficientă a puterii.
- TCPC / TCPM – controler și manager de port USB-C, responsabili pentru gestionarea conexiunii și funcțiilor portului.
- BMIC (Battery Management Integrated Circuit) – circuit integrat pentru managementul bateriei, care implementează monitorizarea, protecția și echilibrarea celulelor.