Fügen Sie USB Typ-C Power Delivery Ihren Entwürfen hinzu!

Einführung

USB Typ-C Power Delivery (PD) wird in Hardware-Designs zunehmend verbreitet und bietet Hardware die Möglichkeit, bis zu 100W (und sogar bis zu 240W in der aktualisierten 2.1 Spezifikation!) Leistung zu liefern oder zu empfangen. In diesem Artikel werden wir die Grundlagen von USB Typ-C Power Delivery erkunden und lernen, wie man einfach einen dedizierten PD IC in die eigenen Designs integrieren kann.

Abbildung 1 USB Typ-C PD Demo-Board

USB-Steckverbinder und ihre entsprechenden Kabel, wie USB Typ-A und Typ-B, waren für die meisten der USB-Geschichte der Standard für Daten- und Stromverbindungen. Diese Schnittstellen haben jedoch Einschränkungen in Bezug auf die Stromlieferung. Im Gegensatz dazu bietet USB Typ-C eine vielseitigere Lösung mit Pins, die höhere Ströme führen können, und Kommunikationskanal-Pins für die Stromverhandlung.

Abbildung 2 USB Typ-C Steckverbinder (Quelle: Farnell)

Abbildung 3 USB-C Steckverbinder Pin-Belegung (Quelle: All About Circuits)

Die Pins, die uns insbesondere für die Stromlieferung interessieren, sind natürlich die Strom- und Massepins (VBUS, GND) sowie die Kommunikationskanal-Pins (CC1, CC2). Diese CC-Pins können verwendet werden, um die Stromversorgung zwischen Geräten (Senken und Quellen) auszuhandeln.

Wir werden hier nicht im Detail auf die USB Typ-C PD Spezifikation eingehen, aber ich würde Ihnen dringend empfehlen, zwei Einführungen von Texas Instruments und USB-IF zu lesen.

Zusätzlich sollten Sie sich unbedingt das vollständige Video-Tutorial eines auf USB Typ-C PD basierenden Hardware-Designs hier ansehen.

USB Typ-C PD Controller IC

Eine sehr einfache Methode, USB Typ-C Delivery zu nutzen, falls Sie nur bis zu 15W Leistung benötigen, ist tatsächlich ohne 'direkte Verhandlung'. Dies wird erreicht, indem die CC1- und CC1-Leitungen über separate 5,1kOhm Widerstände an Ihrem Gerät, das Strom ziehen wird, nach unten gezogen werden. Beachten Sie jedoch, dass diese Methode nicht ermöglicht zu überprüfen, ob die Quelle diese Leistung unterstützen kann.

Abbildung 4 CC 5,1k Pull-Down-Widerstände

Ein besserer Ansatz, um USB Typ-C Power Delivery in Ihre Entwürfe zu integrieren, ist die Verwendung eines USB Typ-C PD-Controller-ICs. Diese integrierten Schaltkreise sind darauf ausgelegt, den Verhandlungs- und Stromlieferungsprozess zu handhaben. Verschiedene Hersteller produzieren diese ICs und bieten unterschiedliche Pakete und Fähigkeiten an, um Ihren spezifischen Anforderungen gerecht zu werden. Stellen Sie sicher, dass Sie Octopart verwenden, um die vielen verschiedenen USB PD IC-Optionen zu überprüfen!

Abbildung 5 Infineon USB-C PD IC (Quelle: Infineon)

Wir werden uns auf den Infineon CYPD3177 konzentrieren, einen USB Typ-C PD-Controller, der USB PD 3.0 Revision 2.0 unterstützt und bis zu 100 Watt Leistungslieferung (nur Senke) bietet. Dieser IC macht es sehr einfach, verschiedene Spannungs- und Stromanforderungen innerhalb des USB PD-Protokolls auszuhandeln und benötigt nicht viel Konfiguration und externe Schaltung.

Zusätzlich verfügt der CYPD3177 über einen integrierten I²C-Block, der es Ihnen ermöglicht, das Gerät mit einem externen Host-Controller zu steuern. Dies eröffnet Möglichkeiten, die USB PD-Einstellungen über die grundlegenden Spannungs- und Strom-Einstellungen hinaus anzupassen und zu verfeinern.

Schaltplan

Zum Glück für uns stellt Infineon ein sehr gutes Datenblatt zur Verfügung, sowie einen Hardware-Design-Referenz für ihr Evaluierungsboard. Alle Informationen, die wir benötigen, um den Schaltplan zu erstellen, sind in diesen Dokumenten enthalten.

Ein vereinfachter Referenzschaltplan wird unten gezeigt:

Abbildung 6 Referenzschaltplan (Quelle: Infineon)

Stromversorgung und USB Typ-C-Anschluss

Verbindungen zum USB Typ-C-Anschluss sind VBUS und GND sowie die CC1/CC2-Pins. Stellen Sie sicher, dass Sie ESD-Schutz (und Filterung, falls notwendig) hinzufügen – abhängig von den Anforderungen Ihrer Anwendung.

Der IC wird über den VBUS_IN-Pin (Pin 18) mit Strom versorgt und erzeugt intern seine eigenen erforderlichen Spannungen, einschließlich einer Niedrigstromversorgung von +3,3V, die wir für einige der externen Schaltungen verwenden können. Dies ist sehr praktisch, da der IC keine zusätzliche, externe Versorgung benötigt.
Wie üblich benötigen wir einige Entkopplungskondensatoren an den VCCD (Pin 24) und VDDD (Pin 23), wie im Referenzschaltplan gezeigt.

Stromausgang und FETs

Sie werden die zwei Sätze von PFET-Transistoren am oberen Rand des Schaltplans bemerkt haben. Der oberste Satz wird durch den PD-IC (VBUS_FET_EN, Pin 3) gesteuert, um als Lastschalter zu fungieren. Sobald die Verhandlung über die CC-Leitungen abgeschlossen ist, wird der Schalter geschlossen, um den Stromfluss von der Quelle, die am USB-Typ-C-Anschluss angeschlossen ist, zu dem entsprechenden Untersystem Ihres Geräts zu ermöglichen.

Der PFET-Satz darunter hat eine ähnliche Schalterfunktion. Dieser Schalter wird jedoch nur durch den PD-IC (SAFE_PWR_EN, Pin 4) geschlossen, sollte die Verhandlung fehlschlagen und das System auf die typischen +5V (und niedrigeren Strom) auf der VBUS-Leitung zurückfallen.

Geeignete Transistoren (zum Beispiel mit geringen Verlusten, ausreichenden Strombelastbarkeiten sowie geeigneten Gate-Source- und Drain-Source-Spannungsgrenzen) sowie externe Schaltkreise (Widerstände, Kondensatoren und Dioden) müssen gemäß den Datenblatt-Empfehlungen ausgewählt werden. Sie können auch dem zuvor verlinkten Referenzdesign für spezifische Bauteilauswahlen folgen.

Spannungs- und Stromanforderungen festlegen

Der PD-IC kann entweder über die zuvor erwähnte I²C-Schnittstelle (HPI_SDA und HPI_SCL, Pins 12 und 13) oder ganz einfach über externe Strapping-Widerstände (ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN und VBUS_MAX, Pins 5, 6, 1 und 2) gesteuert werden.

Für die Option mit Strapping-Widerständen wird die Spannung an den relevanten Pins beim IC-Start abgetastet und das bestimmt den Bereich der ausgehandelten Spannung sowie den maximal erforderlichen Strom. Dies wird in der untenstehenden Tabelle gezeigt:

Abbildung 7 Optionen für Strapping-Widerstände

Verschiedenes

Die vorherige Schaltung ist das Minimum, das wir für diesen PD-IC benötigen – wie Sie sehen können, ist es nicht viel! Es gibt jedoch einige zusätzliche Funktionen, die je nach Ihrer spezifischen Anwendung nützlich sein können.

Beispielsweise können die I²C-Pins für weitere Konfigurationen mit einem Host-Controller verbunden werden, der FLIP-Pin (Pin 10) kann verwendet werden, um die Orientierung des angeschlossenen USB-Typ-C-Kabels anzuzeigen und festzulegen, ob das Gerät datenfähig ist oder nicht, und der FAULT-Pin (Pin 9) zeigt an, ob die Quelle die erforderliche Spannung oder den erforderlichen Strom nicht liefern kann oder ob ein Überspannungsereignis erkannt wurde.

PCB

Das PCB-Design für diesen speziellen PD-IC ist unkompliziert, trotz des ICs in einem QFN-Stil-Gehäuse. Das Bild unten zeigt die Hardware, die auf einer einfachen, zweilagigen Platine in Altium Designer integriert ist, da es keine Hochfrequenzkomponenten in diesem Design gibt (das „schnellste“ ist die Anstiegs-/Abfallzeit der I²C-Schnittstelle).

Die obere Schicht wird für die Strom- und Signalverdrahtung verwendet, während die untere Schicht einer soliden, größtenteils unterbrochenen Massefläche gewidmet ist. Die Rückfalloption für die Stromversorgung wird hier nicht verwendet.

Abbildung 8 USB-C PD IC PCB (3D)

Worauf wir achten müssen, ist, dass unsere Stromverbindungen ausreichend dimensioniert sind, um den Gleichstrom-IR-Abfall zu reduzieren und den Temperaturanstieg auf einem vernünftigen Niveau zu halten. Ich würde vorschlagen, Ihre stromführenden Leiterbahnen (oder sogar Polygone) so kurz wie vernünftigerweise möglich zu halten und die erforderlichen Leiterbahnbreiten mit einem IPC-2221-Rechner zu berechnen. Stromführende Komponenten, wie die PFET-Schalter, werden daher auch in der Nähe der anderen relevanten Stromkomponenten platziert.
Wenn es große Kupferungleichgewichte auf Seiten derselben Komponente gibt, zielen Sie darauf ab, thermische Entlastungen zu verwenden, um den Montageprozess zu erleichtern.

Zusätzlich sollten die Entkopplungs- und Bypass-Kondensatoren nahe an den relevanten Pins des PD-ICs platziert werden. Wir können 'weniger kritische' Teile, wie die Strapping-Widerstände weiter weg vom QFN-Package-IC platzieren, da dies uns ausreichend Platz für das Fanning-Out des Geräts lässt.

Abbildung 9 USB Typ-C PD PCB Routing

Fazit

Dieser Artikel hat die Grundlagen der Implementierung von USB Typ-C Power Delivery in Ihren eigenen Hardware-Designs umrissen. Wie wir gesehen haben, ist der Prozess – dank dedizierter PD-ICs – sehr unkompliziert, ohne dass viele zusätzliche Teile benötigt werden.

Vergewissern Sie sich, das vollständige Design-Walkthrough-Video hier anzusehen, das einige der feineren Details abdeckt und folgen Sie einem kostenlosen Test von Altium Designer!