USB-PD: Компоненты и проектирование системы

Всегда ли вы задавались вопросом, почему ваш телефон заряжается часами с помощью старой зарядки, но очень быстро заряжается, когда подключен к новой зарядке? Если вы разработчик электроники, вы знаете проблему: старая зарядка не обеспечивает достаточно мощности для быстрой зарядки батареи, поскольку её выходной ток слишком низкий. Новые телефоны - это энергозависимые устройства, которым нужно больше тока для быстрой зарядки до полной емкости.

USB существует с 1996 года, но новый USB-PD через разъемы Type C позволяет передавать большую мощность на мобильное устройство, что обеспечивает более быструю зарядку. USB-PD даже позволяет двунаправленный обмен энергией, так что ваш телефон (в теории) может питать ваш ноутбук. Вот некоторые компоненты, которые вам понадобятся для системы USB-PD, и как спроектировать ваш следующий продукт для поддержки USB-PD.

Стандарт USB-PD

Основная идея USB-PD проста: передавать больше тока при более высоком напряжении в подключенное устройство, тем самым быстрее заряжая батарею. Стандарт USB-PD (в текущей ревизии 3.0) позволяет передавать до 100 Вт между устройствами при напряжении до 20 В/5 А через разъемы USB Type C. Однако это возможно, если принимающее устройство может выдержать такое напряжение/ток. Эти цифры в руководствах предназначались для зарядки ноутбуков, планшетов и других устройств, которым раньше требовался разъем типа "бочонок" для получения достаточной мощности. Для сравнения, моему однолетнему ноутбуку требуется источник питания постоянного тока 19,5 В/3,3 А для зарядки, что находится в пределах протокола USB-PD.

USB-PD передает энергию через кабель USB Type-C и предназначен для использования без привязки к производителю. Другими словами, стандарт USB-PD был задуман как способ для разработчиков продуктов создать универсальное решение для зарядки, адаптируемое к различным продуктам. Быть независимым от производителя не помешало Qualcomm и Samsung разработать некоторые собственные технологии зарядки (Quick Charge и Adaptive Fast Charging соответственно) для своих мобильных телефонов. Тем не менее, USB-PD все еще можно использовать с этими и другими мобильными устройствами или вашим новым устройством IoT/мобильным устройством.

В таблице ниже показаны стандартизированные уровни напряжения, используемые для источников на различных уровнях мощности. Компоненты, которые вы выбираете, должны соответствовать этим конкретным выходным напряжениям и диапазонам тока, чтобы соответствовать стандарту USB-PD.

Обратите внимание, что стандарт USB-PD является лишь рекомендацией, а не требованием. Например, недавний iPhone от Apple заряжается при 14,5 В/2 А (29 Вт), что совместимо с разделом 15 В в вышеупомянутой таблице.

Компоненты для USB-PD

Поскольку разные продукты требуют разных напряжений и токов, хост для зарядки должен вести переговоры с подключенными устройствами и определять правильное напряжение/ток для подачи. Компоненты должны обеспечивать следующие функции:

• Подключение кабеля, ориентация кабеля и обнаружение роли кабеля
• Совместимость с устаревшими устройствами на 5 В
• Обеспечение передачи данных через стандартные контакты +D и -D при необходимости
• Переключение между конкретными уровнями напряжения
• Определенная функциональность (двойная роль, источник или приемник)

Некоторым системам потребуются множественные переключатели питания USB-PD и/или мультиплексор для обеспечения выходной мощности к нескольким нижестоящим устройствам. Также потребуются другие компоненты системы питания, такие как для регулирования входной/выходной мощности и подавления перегрузки по току. Последний пункт важен, поскольку он позволяет двунаправленную природу USB-PD (режим двойной роли); здесь используется специализированный контроллер USB-PD для согласования передачи мощности между устройствами. Вот несколько примеров основных компонентов для любой системы зарядки USB-PD.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

FUSB302BMPX от ON Semiconductor - это переключатель питания, который выдает до полных 100 Вт в соответствии со спецификацией USB-PD. Этот компонент был выпущен в соответствии с Rev. 2.0, но он все еще совместим с более новыми устройствами Rev 3.0 и продолжает активно производиться. Этот компонент находит применение в USB-PD для ноутбуков, телефонов, портативных аккумуляторных зарядных устройств и камер.

Блок-схема контроллера питания USB-PD, из даташита FUSB302BMPX.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

PTN5100DBSMP от NXP Semiconductors - это интерфейс PHY, совместимый с USB-PD, для одного порта USB типа C. Этот ИС включает LDO для поддержки состояния разряженной батареи в нижестоящем устройстве. Этот ИС также может быть настроен как входной PHY-слой для приемного устройства или может быть использован в двойной роли. Конфигурация выполняется через интерфейс SPI, а обновления состояния предоставляются через I2C. Этот ИС также обеспечивает управляющие сигналы для PMOS-транзисторов мощности на шине питания для нижестоящей передачи энергии.

Функциональная блок-схема из даташита PTN5100DBSMP. (Alt text: Блок-схема USB-PD из даташита TPS65982) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

TPS65982 от Texas Instruments является комбинированным устройством USB-PD переключателя, контроллера и мультиплексора в одном корпусе. Другие компоненты разделяют важные функции на разные микросхемы, что дает этому компоненту большое преимущество в продуктах с USB-PD. Это устройство включает в себя USB PHY слой, выход 3.3 V LDO для поддержки разряженной батареи и переключатель 5 V/ 3 A на VBUS для питания Type-C. Оно может выдавать до 20 V/3 A, что делает его совместимым с современными мобильными устройствами. Texas Instruments, возможно, является текущим лидером в этих компонентах, единственным недостатком которых является ограниченная мощность в 60 Вт.

Функциональная блок-схема из даташита TPS65982.

Ваше следующее мобильное устройство, IoT или другая система питания смогут заряжаться гораздо быстрее, когда вы разработаете вашу систему питания в соответствии со стандартом USB-PD. Вышеупомянутые компоненты могут помочь вам начать работу над вашей следующей системой питания, и вы можете найти необходимые компоненты, используя поисковую систему электронных компонентов, такую как Octopart. Расширенная фильтрация поможет вам сузить поиск до нужных компонентов для вашей следующей системы.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.