USB-PD: Komponenty i projektowanie systemu

Zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego ładowanie telefonu za pomocą starszej ładowarki ścienniej zajmuje godziny, a kiedy podłączysz go do nowszej ładowarki, proces przebiega bardzo szybko? Jeśli jesteś projektantem elektroniki, znasz problem: starsza ładowarka nie dostarcza wystarczającej mocy, aby naładować baterię w rozsądnym czasie, ponieważ jej prąd wyjściowy jest zbyt niski. Nowe telefony są "głodne mocy" i potrzebują więcej prądu, aby szybko naładować się do pełnej pojemności.

USB istnieje od 1996 roku, ale nowsze złącza USB-PD typu C pozwalają na wyższy transfer mocy do urządzenia mobilnego, co umożliwia szybsze ładowanie. USB-PD umożliwia nawet dwukierunkową wymianę mocy, więc twój telefon mógłby (teoretycznie) zasilać twój laptop. Oto niektóre z komponentów, których będziesz potrzebować do systemu USB-PD oraz jak zaprojektować swój następny produkt, aby wspierał USB-PD.

Standard USB-PD

Centralna zasada USB-PD jest prosta: przesyłać więcej prądu przy wyższym napięciu do podłączonego urządzenia, tym samym szybciej ładując baterię. Standard USB-PD (w obecnej wersji Rev. 3.0) pozwala na dostarczenie do 100 W mocy między urządzeniami przy maksymalnie 20 V/5 A za pomocą złączy USB typu C. Jest to jednak możliwe pod warunkiem, że odbierające urządzenie może wytrzymać takie napięcie/prąd. Te liczby w wytycznych były przeznaczone do ładowania laptopów, tabletów i innych urządzeń, które wcześniej wymagały złącza typu barrel do odbioru wystarczającej mocy. Dla perspektywy, mój roczny laptop wymaga zasilacza DC 19,5 V/3,3 A do ładowania, co mieści się w zakresie protokołu USB-PD.

USB-PD przesyła moc za pomocą kabla USB typu C i ma być niezależne od producenta. Innymi słowy, standard USB-PD miał na celu zapewnienie projektantom produktów sposób na opracowanie uniwersalnego rozwiązania ładowania, które jest dostosowane do różnych produktów. Bycie niezależnym od producenta nie powstrzymało jednak Qualcomm i Samsung przed opracowaniem własnych, zastrzeżonych technik ładowania (Quick Charge i Adaptive Fast Charging, odpowiednio) dla ich telefonów komórkowych. Jednak USB-PD może być nadal używane z tymi i innymi urządzeniami mobilnymi lub twoim nowym urządzeniem IoT/mobilnym.

Poniższa tabela pokazuje standaryzowane poziomy napięcia używane do zasilania na różnych poziomach mocy. Komponenty, które wybierzesz, powinny spełniać te konkretne napięcia wyjściowe i zakresy prądów, aby być zgodne ze standardem USB-PD.

Należy zauważyć, że standard USB-PD jest tylko sugestią, a nie wymogiem. Na przykład, ostatni iPhone firmy Apple ładuje się przy 14,5 V/2 A (29 W), co czyni go kompatybilnym z sekcją 15 V powyższej tabeli.

Składniki dla USB-PD

Ponieważ różne produkty wymagają różnych napięć i prądów, host ładowania musi negocjować z podłączonymi urządzeniami i określić odpowiednie napięcie/prąd do dostarczenia. Komponenty muszą zapewniać następujące funkcje:

• Dołączanie kabla, orientacja kabla i wykrywanie roli kabla
• Kompatybilność z urządzeniami starszego typu przy 5 V
• Możliwość przesyłania danych przez standardowe piny +D i -D, jeśli jest to pożądane
• Przełączanie między określonymi poziomami napięcia
• Zdefiniowana funkcjonalność (podwójna rola, źródło lub odbiornik)

Niektóre systemy będą potrzebować wielu przełączników mocy USB-PD i/lub multipleksera, aby zapewnić wyjście mocy do wielu urządzeń podrzędnych. Potrzebne będą również inne komponenty systemu zasilania, takie jak do regulacji mocy wejściowej/wyjściowej regulacja napięcia i tłumienie przeciążeń prądowych. Ostatni punkt jest ważny, ponieważ umożliwia dwukierunkową naturę USB-PD (tryb podwójnej roli); tutaj używany jest dedykowany kontroler USB-PD do negocjacji transferu mocy między urządzeniami. Oto przykłady niezbędnych komponentów dla każdego systemu ładowania USB-PD.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

FUSB302BMPX od ON Semiconductor to przełącznik mocy, który dostarcza do pełnych 100 W zgodnie ze specyfikacją USB-PD. Ten komponent został wydany zgodnie z Rev. 2.0, ale jest również kompatybilny z nowszymi urządzeniami Rev 3.0 i nadal jest produkowany. Ten komponent znajduje zastosowanie w USB-PD dla laptopów, telefonów, przenośnych jednostek ładowania zasilanych bateriami i aparatów.

Schemat blokowy kontrolera mocy USB-PD, z karty katalogowej FUSB302BMPX.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

PTN5100DBSMP od NXP Semiconductors to interfejs PHY kompatybilny z USB-PD dla pojedynczego portu USB typu C. Ten układ scalony zawiera LDO wspierający stan rozładowanej baterii w urządzeniu podrzędnym. Ten układ scalony może być również skonfigurowany jako warstwa PHY wejściowa dla urządzenia odbierającego, lub może być ustawiony w trybie podwójnej roli. Konfiguracja jest wykonywana przez interfejs SPI, a aktualizacje statusu są dostarczane przez I2C. Ten układ scalony dostarcza również sygnały sterujące bramką dla tranzystorów MOSFET PMOS na magistrali zasilania dla dostarczania mocy do urządzeń podrzędnych.

Schemat blokowy funkcjonalny z karty katalogowej PTN5100DBSMP. (Alt text: Schemat blokowy USB-PD z karty katalogowej TPS65982) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

TPS65982 od Texas Instruments to przełącznik mocy USB-PD, kontroler i multiplekser w jednym urządzeniu. Inne komponenty rozdzielają ważne funkcje na różne układy scalone, co daje temu komponentowi dużą przewagę w produktach z USB-PD. Urządzenie to zawiera warstwę fizyczną USB PHY, wyjście LDO 3,3 V dla wsparcia rozładowanej baterii oraz przełącznik 5 V/ 3 A do VBUS dla zasilania typu C. Może dostarczać do 20 V/3 A, co czyni go kompatybilnym z nowoczesnymi urządzeniami mobilnymi. Texas Instruments jest obecnie uważany za lidera w tych komponentach, z jedynym minusem będącym ograniczoną mocą wyjściową 60 W.

Diagram blokowy funkcjonalny z karty katalogowej TPS65982.

Twoje następne urządzenie mobilne, IoT lub inny system zasilania może ładować się znacznie szybciej, gdy zaprojektujesz swój system zasilania zgodnie ze standardem USB-PD. Powyższe komponenty mogą pomóc Ci rozpocząć pracę nad Twoim następnym systemem zasilania, a potrzebne komponenty znajdziesz, używając wyszukiwarki części elektronicznych takiej jak Octopart. Zaawansowane filtrowanie pomoże Ci zawęzić wybór do odpowiednich komponentów dla Twojego następnego systemu.

Zapoznaj się z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się na nasz newsletter.