USB-PD: Linh kiện và Thiết kế Hệ thống

Bạn có bao giờ tự hỏi tại sao điện thoại của bạn mất hàng giờ để sạc với bộ sạc tường cũ, nhưng lại sạc rất nhanh khi kết nối với bộ sạc tường mới? Nếu bạn là một nhà thiết kế điện tử, bạn sẽ biết vấn đề: bộ sạc tường cũ không cung cấp đủ công suất để sạc pin trong một khoảng thời gian hợp lý vì dòng điện ra của nó quá thấp. Điện thoại mới hơn là những quái vật khát năng lượng và cần nhiều dòng điện hơn để sạc đầy nhanh chóng.

USB đã tồn tại từ năm 1996, nhưng USB-PD mới hơn qua các kết nối Type C cho phép truyền tải công suất cao hơn cho thiết bị di động, cho phép sạc nhanh hơn. USB-PD thậm chí còn cho phép trao đổi năng lượng hai chiều, vì vậy điện thoại của bạn có thể (theo lý thuyết) cung cấp năng lượng cho máy tính xách tay của bạn. Dưới đây là một số thành phần bạn sẽ cần cho hệ thống USB-PD và cách thiết kế sản phẩm tiếp theo của bạn để hỗ trợ USB-PD.

Tiêu chuẩn USB-PD

Ý tưởng cốt lõi của USB-PD rất đơn giản: truyền nhiều dòng điện hơn ở điện áp cao hơn vào thiết bị được kết nối, do đó sạc pin nhanh hơn. Tiêu chuẩn USB-PD (theo phiên bản hiện tại Rev. 3.0) cho phép truyền tải tới 100 W giữa các thiết bị với tới 20 V/5 A qua kết nối USB Type C. Tuy nhiên, điều này chỉ có thể xảy ra nếu thiết bị nhận có thể chịu được nhiều điện áp/dòng điện như vậy. Những con số trong hướng dẫn được dự định cho việc sạc máy tính xách tay, máy tính bảng và các thiết bị khác trước đây cần một kết nối barrel để nhận đủ năng lượng. Chỉ để bạn có cái nhìn, chiếc máy tính xách tay 1 tuổi của tôi cần một nguồn cung cấp điện DC 19.5 V/3.3 A để sạc, nằm trong phạm vi của giao thức USB-PD.

USB-PD truyền tải năng lượng qua cáp USB Type-C và được dự định là không phụ thuộc vào nhà cung cấp. Nói cách khác, tiêu chuẩn USB-PD được dự định để cung cấp một cách cho các nhà thiết kế sản phẩm phát triển một giải pháp sạc chung có thể thích ứng với nhiều sản phẩm. Việc không phụ thuộc vào nhà cung cấp không ngăn cản Qualcomm và Samsung phát triển một số kỹ thuật sạc độc quyền (Quick Charge và Adaptive Fast Charging, tương ứng) cho điện thoại di động của họ. Tuy nhiên, USB-PD vẫn có thể được sử dụng với những thiết bị di động này, hoặc thiết bị di động/IoT mới của bạn.

Bảng dưới đây cho thấy các mức điện áp tiêu chuẩn được sử dụng để cung cấp ở các mức công suất khác nhau. Các thành phần bạn chọn nên đáp ứng những điện áp và dải dòng điện cụ thể này để tuân thủ tiêu chuẩn USB-PD.

Lưu ý rằng tiêu chuẩn USB-PD chỉ là một gợi ý, không phải là một yêu cầu. Ví dụ, iPhone gần đây của Apple sạc ở 14.5 V/2 A (29 W), làm cho nó tương thích với phần 15 V của bảng trên.

Thành phần cho USB-PD

Vì các sản phẩm khác nhau yêu cầu các điện áp và dòng điện khác nhau, một máy chủ sạc cần phải thương lượng với các thiết bị được kết nối và xác định điện áp/dòng điện phù hợp để cung cấp. Các thành phần cần cung cấp các chức năng sau:

• Kết nối cáp, hướng cáp và phát hiện vai trò cáp
• Tương thích với các thiết bị cũ ở 5 V
• Cung cấp truyền dữ liệu qua các chân tiêu chuẩn +D và -D nếu mong muốn
• Chuyển đổi giữa các mức điện áp cụ thể
• Chức năng được xác định (vai trò kép, nguồn, hoặc đích)

Một số hệ thống sẽ cần nhiều công tắc nguồn USB-PD và/hoặc một bộ đa hợp để cung cấp nguồn ra cho nhiều thiết bị ngoại vi. Các thành phần hệ thống nguồn khác sẽ cần thiết, như điều chỉnh nguồn vào/ra và kiểm soát quá dòng. Điểm cuối cùng này quan trọng trong việc nó cho phép tính hai chiều của USB-PD (chế độ vai trò kép); đây là nơi sử dụng một bộ điều khiển USB-PD chuyên dụng để thương lượng việc chuyển giao nguồn giữa các thiết bị. Dưới đây là một số ví dụ về các thành phần thiết yếu cho bất kỳ hệ thống sạc USB-PD nào.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

FUSB302BMPX từ ON Semiconductor là một công tắc nguồn có khả năng cung cấp tới 100 W đầy đủ theo quy định USB-PD. Thành phần này được phát hành dưới Rev. 2.0, nhưng nó vẫn tương thích với các thiết bị Rev 3.0 mới hơn và vẫn đang được sản xuất. Thành phần này được ứng dụng trong USB-PD cho máy tính xách tay, điện thoại, đơn vị sạc di động chạy bằng pin và máy ảnh.

Sơ đồ khối bộ điều khiển nguồn USB-PD, từ tài liệu dữ liệu FUSB302BMPX.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

PTN5100DBSMP từ NXP Semiconductors là một giao diện PHY tương thích USB-PD cho một cổng USB Type-C duy nhất. IC này bao gồm một LDO để hỗ trợ tình trạng pin chết trong thiết bị ngoại vi. IC này cũng có thể được cấu hình là lớp PHY đầu vào cho một thiết bị nhận, hoặc có thể được đặt vào vai trò kép. Cấu hình được thực hiện qua giao diện SPI, và cập nhật trạng thái được cung cấp qua I2C. IC này cũng cung cấp tín hiệu điều khiển cổng cho các MOSFET công suất PMOS trên bus nguồn cho việc cung cấp nguồn ngoại vi.

Sơ đồ khối chức năng từ tài liệu dữ liệu PTN5100DBSMP. (Alt text: Sơ đồ khối USB-PD từ tài liệu dữ liệu TPS65982) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

TPS65982 từ Texas Instruments là một công tắc nguồn USB-PD, bộ điều khiển, và bộ chuyển mạch tất cả trong một đơn vị. Các linh kiện khác tách các chức năng quan trọng ra thành các IC khác nhau, mang lại lợi thế lớn cho thành phần này trong các sản phẩm có USB-PD. Thiết bị này bao gồm một lớp PHY USB, đầu ra LDO 3.3 V cho hỗ trợ pin chết, và công tắc 5 V/ 3 A đến VBUS cho nguồn Type-C. Nó có thể đầu ra lên đến 20 V/3 A, làm cho nó tương thích với các thiết bị di động hiện đại. Texas Instruments có lẽ là nhà lãnh đạo hiện tại trong những linh kiện này, với nhược điểm duy nhất là công suất đầu ra giới hạn 60 W.

Sơ đồ khối chức năng từ bảng dữ liệu TPS65982.

Hệ thống di động, IoT, hoặc hệ thống nguồn khác của bạn có thể sạc nhanh hơn nhiều khi bạn thiết kế hệ thống nguồn của mình theo tiêu chuẩn USB-PD. Các thành phần trên có thể giúp bạn bắt đầu với hệ thống nguồn tiếp theo của mình, và bạn có thể tìm thấy các linh kiện bạn cần khi sử dụng một công cụ tìm kiếm linh kiện điện tử như Octopart. Bộ lọc tiên tiến giúp bạn thu hẹp xuống các linh kiện phù hợp cho hệ thống tiếp theo của mình.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.