USB-PD: Komponenten und Systemdesign

Fragen Sie sich jemals, warum Ihr Telefon Stunden braucht, um mit einem älteren Wandladegerät aufzuladen, aber sehr schnell auflädt, wenn es an ein neueres Wandladegerät angeschlossen ist? Wenn Sie ein Elektronikdesigner sind, kennen Sie das Problem: Das ältere Wandladegerät liefert nicht genug Leistung, um Ihren Akku in einer angemessenen Zeit aufzuladen, da sein Ausgangsstrom zu niedrig ist. Neuere Telefone sind energiehungrige Bestien und benötigen mehr Strom, um schnell vollständig aufgeladen zu werden.

USB gibt es seit 1996, aber der neuere USB-PD über Typ-C-Stecker ermöglicht eine höhere Leistungsübertragung an ein mobiles Gerät, was ein schnelleres Aufladen ermöglicht. USB-PD erlaubt sogar einen bidirektionalen Energieaustausch, sodass Ihr Telefon (theoretisch) Ihren Laptop mit Energie versorgen könnte. Hier sind einige der Komponenten, die Sie für ein USB-PD-System benötigen, und wie Sie Ihr nächstes Produkt zur Unterstützung von USB-PD entwerfen.

Der USB-PD-Standard

Die zentrale Prämisse von USB-PD ist einfach: mehr Strom bei höherer Spannung in ein angeschlossenes Gerät übertragen, wodurch der Akku schneller aufgeladen wird. Der USB-PD-Standard (unter der aktuellen Rev. 3.0) erlaubt bis zu 100 W, die zwischen Geräten bei bis zu 20 V/5 A über USB-Typ-C-Stecker geliefert werden. Das ist jedoch nur möglich, wenn das empfangende Gerät so viel Spannung/Strom aushalten kann. Diese Zahlen in den Richtlinien waren für das Aufladen von Laptops, Tablets und anderen Geräten gedacht, die früher einen Barrel-Stecker benötigten, um ausreichend Leistung zu erhalten. Nur zum Vergleich, mein 1 Jahr alter Laptop benötigt ein 19,5 V/3,3 A DC-Netzteil zum Aufladen, was im Rahmen des USB-PD-Protokolls liegt.

USB-PD überträgt Energie über ein USB-Typ-C-Kabel und soll herstellerunabhängig sein. Mit anderen Worten, der USB-PD-Standard sollte eine Möglichkeit für Produktdesigner bieten, eine universelle Ladelösung zu entwickeln, die an eine Vielzahl von Produkten anpassbar ist. Herstellerunabhängig zu sein, hat Qualcomm und Samsung jedoch nicht davon abgehalten, einige proprietäre Ladetechniken (Quick Charge und Adaptive Fast Charging bzw.) für ihre Mobiltelefone zu entwickeln. Dennoch kann USB-PD immer noch mit diesen und anderen mobilen Geräten oder Ihrem neuen IoT-/Mobilgerät verwendet werden.

Die untenstehende Tabelle zeigt die standardisierten Spannungsniveaus, die für die Versorgung auf verschiedenen Leistungsniveaus verwendet werden. Die von Ihnen gewählten Komponenten sollten diese spezifischen Ausgangsspannungen und Strombereiche erfüllen, um mit dem USB-PD-Standard konform zu sein.

Beachten Sie, dass der USB-PD-Standard nur ein Vorschlag und keine Anforderung ist. Zum Beispiel lädt das jüngste Apple iPhone mit 14,5 V/2 A (29 W), was es mit dem 15-V-Abschnitt der obigen Tabelle kompatibel macht.

Komponenten für USB-PD

Da verschiedene Produkte unterschiedliche Spannungen und Ströme benötigen, muss ein Ladegerät mit angeschlossenen Geräten verhandeln und die richtige Spannung/Strommenge bestimmen. Komponenten müssen folgende Funktionen bereitstellen:

• Kabelbefestigung, Kabelorientierung und Erkennung der Kabelrolle
• Kompatibilität mit älteren Geräten bei 5 V
• Datenübertragung über Standard +D und -D Pins, falls gewünscht
• Umschalten zwischen spezifischen Spannungsebenen
• Definierte Funktionalität (Dual-Rolle, Quelle oder Senke)

Einige Systeme benötigen mehrere USB-PD-Leistungsschalter und/oder einen Multiplexer, um die Stromausgabe an mehrere nachgeschaltete Geräte zu liefern. Andere Komponenten des Stromsystems werden benötigt, wie zum Beispiel für die Ein-/Ausgangs-Stromregelung und Überstromunterdrückung. Der letzte Punkt ist wichtig, da er die bidirektionale Natur von USB-PD (Dual-Rollen-Modus) ermöglicht; hier wird ein dedizierter USB-PD-Controller verwendet, um die Stromübertragung zwischen den Geräten auszuhandeln. Hier sind einige Beispiele für wesentliche Komponenten für jedes USB-PD-Ladesystem.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

Der FUSB302BMPX von ON Semiconductor ist ein Leistungsschalter, der bis zu den vollen 100 W gemäß der USB-PD-Spezifikation liefert. Diese Komponente wurde unter Rev. 2.0 veröffentlicht, ist aber immer noch mit neueren Rev 3.0 Geräten kompatibel und wird noch aktiv produziert. Diese Komponente findet Anwendung in USB-PD für Laptops, Telefone, tragbare batteriebetriebene Ladegeräte und Kameras.

USB-PD-Leistungscontroller-Blockdiagramm, aus dem FUSB302BMPX-Datenblatt.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

Der PTN5100DBSMP von NXP Semiconductors ist eine USB-PD-kompatible PHY-Schnittstelle für einen einzelnen Typ-C-USB-Port. Dieser IC beinhaltet ein LDO zur Unterstützung eines Dead-Battery-Zustands in einem nachgeschalteten Gerät. Dieser IC kann auch als Eingangs-PHY-Schicht für ein empfangendes Gerät konfiguriert werden oder in den Dual-Rollen-Modus versetzt werden. Die Konfiguration erfolgt über eine SPI-Schnittstelle, und Statusaktualisierungen werden über I2C bereitgestellt. Dieser IC liefert auch Gate-Steuerungssignale für PMOS-Leistungs-MOSFETs auf dem Strombus für die nachgeschaltete Stromversorgung.

Funktionsblockdiagramm aus dem PTN5100DBSMP-Datenblatt. (Alt-Text: USB-PD-Blockdiagramm aus dem TPS65982-Datenblatt) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

Der TPS65982 von Texas Instruments ist ein USB-PD-Leistungsschalter, Controller und Multiplexer in einem einzigen Gerät. Andere Komponenten trennen wichtige Funktionen in verschiedene ICs, was diesem Bauteil einen großen Vorteil in Produkten mit USB-PD bietet. Dieses Gerät umfasst eine USB-PHY-Schicht, einen 3,3 V LDO-Ausgang für die Unterstützung von entladenen Batterien und einen 5 V/ 3 A Schalter zu VBUS für Typ-C-Strom. Es kann bis zu 20 V/3 A ausgeben, was es mit modernen mobilen Geräten kompatibel macht. Texas Instruments ist derzeit führend bei diesen Komponenten, wobei der einzige Nachteil die begrenzte Leistungsausgabe von 60 W ist.

Funktionsblockdiagramm aus dem TPS65982-Datenblatt.

Ihr nächstes mobiles, IoT- oder anderes Stromsystem kann viel schneller laden, wenn Sie Ihr Stromsystem nach dem USB-PD-Standard entwerfen. Die oben genannten Komponenten können Ihnen den Einstieg in Ihr nächstes Stromsystem erleichtern, und Sie können die benötigten Komponenten mit einem elektronischen Teilesuchmotor wie Octopart finden. Die erweiterten Filter helfen Ihnen, die richtigen Komponenten für Ihr nächstes System einzugrenzen.

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