Dodaj zasilanie przez USB typu C do swoich projektów!

Wstęp

USB typu C z dostawą mocy (PD) staje się coraz bardziej powszechne w projektach sprzętowych, oferując urządzeniom możliwość dostarczania lub pobierania do 100W mocy (a nawet do 240W w zaktualizowanej specyfikacji 2.1!). W tym artykule przyjrzymy się podstawom dostawy mocy USB typu C i dowiemy się, jak łatwo włączyć dedykowany układ PD do własnych projektów.

Rysunek 1 Demonstracyjna płyta USB typu C PD

Złącza USB i odpowiadające im kable, takie jak USB typu A i typu B, były standardem dla połączeń danych i zasilania przez większość historii USB. Jednak te interfejsy mają ograniczenia pod względem dostawy mocy. W przeciwieństwie do nich, USB typu C oferuje bardziej wszechstronne rozwiązanie z pinami zdolnymi do obsługi wyższego prądu oraz pinami kanału komunikacyjnego do negocjacji mocy.

Rysunek 2 Złącze USB typu C (Źródło: Farnell)

Rysunek 3 Rozkład pinów złącza USB-C (Źródło: All About Circuits)

Pinami, którymi jesteśmy zainteresowani, w szczególności dla dostawy mocy, są oczywiście piny zasilania i masy (VBUS, GND) ale również piny kanału komunikacyjnego (CC1, CC2). Te piny CC mogą być używane do negocjacji mocy między urządzeniami (odbiorcami i źródłami).

Nie będziemy wchodzić w szczegóły dotyczące specyfikacji USB typu C PD tutaj, ale zdecydowanie polecam zapoznać się z dwoma wprowadzeniami autorstwa Texas Instruments i USB-IF.

Dodatkowo, upewnij się, że obejrzysz pełne wideo przewodnika po projekcie sprzętowym opartym na USB typu C PD tutaj.

Układ kontrolera USB typu C PD

Bardzo prostą metodą wykorzystania dostawy mocy USB typu C, jeśli wymagasz tylko do 15W mocy, jest w rzeczywistości bez 'bezpośredniej negocjacji'. Osiąga się to przez podciągnięcie do dołu linii CC1 i CC1 za pomocą oddzielnych rezystorów 5,1kOhm w twoim urządzeniu, które będzie pobierać prąd. Należy jednak pamiętać, że ta metoda nie pozwala na sprawdzenie, czy źródło może obsłużyć tę moc.

Rysunek 4 Rezystory podciągające CC 5.1k

Lepszym podejściem do włączenia USB Type-C Power Delivery do twoich projektów jest użycie kontrolera IC USB Type-C PD. Te zintegrowane układy scalone są zaprojektowane do obsługi negocjacji i procesu dostarczania energii. Różni producenci produkują te układy scalone, oferując różne pakiety i możliwości, aby dopasować się do twoich konkretnych wymagań. Upewnij się, że używasz Octopart, aby sprawdzić wiele różnych opcji układów scalonych USB PD!

Rysunek 5 Infineon USB-C PD IC (Źródło: Infineon)

Skupimy się na Infineon CYPD3177, kontrolerze USB Type-C PD zdolnym do obsługi USB PD 3.0 Rewizja 2.0, oferującym do 100 watów dostawy mocy (tylko odbiór). Ten układ scalony ułatwia negocjowanie różnych wymagań napięciowych i prądowych w ramach protokołu USB PD i nie wymaga dużo konfiguracji oraz zewnętrznych układów.

Dodatkowo, CYPD3177 posiada zintegrowany blok I²C, który pozwala na sterowanie urządzeniem za pomocą zewnętrznego kontrolera hosta. Otwiera to możliwości dostosowania i precyzyjnego ustawienia ustawień USB PD poza podstawowymi ustawieniami napięcia i prądu.

Schemat

Na szczęście dla nas, Infineon dostarcza bardzo dobry dokument datasheet, jak również referencyjny projekt sprzętowy dla ich płyty ewaluacyjnej. Wszystkie informacje, których potrzebujemy do stworzenia schematu, zawarte są w tych dokumentach.

Uproszczony schemat referencyjny jest pokazany poniżej:

Rysunek 6 Schemat referencyjny (Źródło: Infineon)

Zasilanie wejściowe i złącze USB Type-C

Połączenia do złącza USB Type-C to VBUS i GND, jak również piny CC1/CC2. Upewnij się, że dodasz ochronę ESD (i filtrację, jeśli jest to konieczne) – w zależności od wymagań twojej aplikacji.

Układ scalony jest zasilany przez pin VBUS_IN (pin 18) i wewnętrznie generuje wymagane napięcia, w tym niskoprądowe +3,3V, które możemy użyć dla niektórych zewnętrznych układów. Jest to bardzo wygodne, ponieważ układ scalony nie potrzebuje dodatkowego, zewnętrznego zasilania.
Jak zwykle, wymagamy kilku kondensatorów odsprzęgających przy VCCD (pin 24) i VDDD (pin 23), jak pokazano na schemacie referencyjnym.

Zasilanie wyjściowe i tranzystory FET

Zauważyłeś zapewne dwa zestawy tranzystorów PFET na górze schematu. Najwyższy zestaw jest sterowany przez układ PD IC (VBUS_FET_EN, pin 3), aby działać jako przełącznik obciążenia. Gdy negocjacje są zakończone za pomocą linii CC, przełącznik jest zamykany, aby umożliwić przepływ mocy z źródła podłączonego do złącza USB typu C do odpowiedniego podsystemu twojego urządzenia.

Zestaw PFET poniżej ma podobną funkcję przełącznika. Jednak ten przełącznik jest zamykany tylko przez PD IC (SAFE_PWR_EN, pin 4), jeśli negocjacje się nie powiodą, i system wraca do typowego +5V (i niższego prądu) na linii VBUS.

Należy wybrać odpowiednie tranzystory (na przykład o niskich stratach, wystarczających zdolnościach przenoszenia prądu, a także odpowiednich limitach napięcia bramka-źródło i dren-źródło), jak również zewnętrzne obwody (rezystory, kondensatory i diody) zgodnie z zaleceniami w karcie katalogowej. Możesz również śledzić wcześniej połączony projekt referencyjny dla konkretnych wyborów części.

Ustawianie wymagań napięciowych i prądowych

PD IC może być sterowany albo za pośrednictwem wspomnianego interfejsu I²C (HPI_SDA i HPI_SCL, piny 12 i 13), albo bardzo prosto za pomocą zewnętrznych rezystorów strappingowych (ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN i VBUS_MAX, piny 5, 6, 1 i 2).

W przypadku opcji z rezystorami strappingowymi, napięcie na odpowiednich pinach jest próbkowane przy uruchomieniu układu scalonego i to określa zakres negocjowanego napięcia, jak również maksymalny wymagany prąd. Jest to pokazane w poniższej tabeli:

Rysunek 7 Opcje rezystorów strappingowych

Różne

Poprzednie obwody to minimalna ilość, której potrzebujemy, aby ten PD IC funkcjonował – jak widać, nie ma w tym wiele! Jednak w zależności od konkretnej aplikacji, mogą być przydatne pewne dodatkowe funkcje.

Na przykład, piny I²C mogą być połączone z kontrolerem hosta dla dalszej konfiguracji, pin FLIP (pin 10) może być używany do wskazywania orientacji podłączonego kabla USB typu C i ustawiania, czy urządzenie jest zdolne do przesyłania danych, a pin FAULT (pin 9) wskazuje, czy źródło nie może dostarczyć wymaganego napięcia lub prądu lub czy wykryto zdarzenie przekroczenia napięcia.

PCB

Projekt PCB dla tego konkretnego PD IC jest prosty, pomimo że układ scalony jest w obudowie typu QFN. Poniższy obraz pokazuje sprzęt włączony na prostą, dwuwarstwową płytę w Altium Designer, ponieważ nie ma tu żadnych komponentów wysokiej częstotliwości (najszybsze to czasy narastania/opadania interfejsu I²C).

Górna warstwa jest używana do routingu mocy i sygnałów, podczas gdy dolna warstwa jest przeznaczona na solidną, w większości nieprzerwaną płaszczyznę masy. Opcja zasilania awaryjnego nie jest tutaj używana.

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

Na co musimy zwrócić uwagę, to aby nasze połączenia zasilające były wystarczająco duże, aby zmniejszyć spadek napięcia DC IR oraz aby utrzymać wzrost temperatury na rozsądnym poziomie. Sugerowałbym, aby ścieżki (lub nawet poligony) przenoszące moc były jak najkrótsze, na ile to możliwe oraz aby obliczyć wymagane szerokości ścieżek przy użyciu kalkulatora IPC-2221. Komponenty obsługujące moc, takie jak przełączniki PFET, są zatem również umieszczane blisko innych odpowiednich komponentów zasilających.
Jeśli po obu stronach tego samego komponentu występują duże nierównowagi miedzi, warto użyć ulg termicznych, aby ułatwić proces montażu.

Dodatkowo, kondensatory sprzęgające i omijające powinny być umieszczone blisko odpowiednich pinów układu PD IC. Możemy umieścić części ‘mniej krytyczne’, takie jak rezystory strappingowe dalej od układu IC w obudowie QFN, ponieważ to zapewnia nam wystarczająco dużo miejsca na rozwinięcie urządzenia.

Rysunek 9 Trasowanie PCB USB Type-C PD

Podsumowanie

Ten artykuł przedstawił podstawy implementacji dostawy mocy USB Type-C we własnych projektach sprzętowych. Jak widzieliśmy, proces – dzięki dedykowanym układom PD IC – jest bardzo prosty, bez potrzeby dodawania wielu dodatkowych części.

Zapewnij się, aby obejrzeć pełne wideo z przewodnikiem projektowym tutaj, które pokrywa niektóre bardziej szczegółowe kwestie i śledź wraz z darmowym okresem próbnym Altium Designer!