Az USB-C eszközök teljesítményleadásának 100 W-ra növése gyorsan, minimális programozással

Ahogy az USB-C (Universal Serial Bus Type-C, USB-C típusú – vagy röviden csak USB-C – univerzális soros busz vagy univerzális soros sín) portok egyre jobban elterjednek, sok felhasználó használja őket arra, hogy egyre nagyobb mennyiségű villamos energiát szolgáltassanak a legkülönfélébb csatlakoztatott eszközök számára. Az USB-C szabvány azonban a „csak USB-C” eszközök alapszintű áramellátását legfeljebb 15 W-ra (5 V, 3 A) korlátozza.

Ennek a korlátozásnak a leküzdésére a tervezők használhatják az USB PD (Power Delivery, nagy teljesítmény) funkciót, és létrehozhatnak olyan nagy teljesítményű USB-C csatlakozójú PD- (azaz nagy teljesítményű) eszközöket, amelyek akár 100 W-ot (20 V, 5 A) is képesek leadni a szabványos teljesítménytartományban (SPR, Standard Power Range). Mostantól a fejlesztők az átfogó USB PD protokoll fáradságos programozása helyett egyszerűen beállíthatnak egy készen kapható PD-vezérlőt, és egyéni és optimalizált nagy teljesítményű PD-funkciókkal egészíthetik ki a hálózati töltőket és az áramvezérelt USB-portokat.

Ez a cikk áttekintést nyújt a nagy teljesítményű rendszerekkel szemben támasztott alapvető követelményekről. Ezután bemutatja az onsemi FUSB15101MNTWG PD-vezérlőt, és leírja, hogyan lehet gyorsan elkezdeni a gyárilag programozott vezérlő firmware-ének beállítását fejlesztőkártyák, fejlesztőszoftverek, programozó és hibakereső adapterek és egy PD-protokoll-elemző segítségével.

Kapcsolóüzemű áramátalakító protokollvezérelt feszültségszabályozással

Volt idő, amikor az akkumulátoros készülékek analóg fali töltői mindössze két alkatrészből álltak: egy transzformátorból és egy egyenirányítóból. A jobb hatásfok, a nagyobb rugalmasság és a folyamatos miniatürizálás együttesen még az egyszerű elektronikus eszközök áramellátását is bonyolult feladattá teszik. A mai mikrovezérlő-alapú kapcsolóüzemű áramátalakítóknak már dinamikusan, bonyolult protokollon keresztül kell egyeztetniük kimenőteljesítményüket a csatlakoztatott okosfogyasztókkal.

Ilyen protokoll az USB PD is. A 3.1-es verziója akár 240 W villamos hálózati teljesítményt is koordinál egy intelligens USB-C EMCA (Electronically Marked Cable Assembly, elektronikusan megjelölt kábel) csatlakozókábelen keresztül, ugyanakkor fenntartja a visszafelé kompatibilitást a régebbi USB-szabványokkal. A 24 érintkezős USB-C csatlakozón keresztül történő dinamikus nagyteljesítmény-átvitel szabályozása azonban messze túlmutat a hagyományos négyvezetékes USB-csatlakozófelület adatvezetékeinek statikus vezérlőfeszültségén.

Egy USB PD-eszköz működhet teljesítményleadó portként (DFP, downstream facing port), azaz áramforrásként, teljesítményfelvevő portként (UFP, upstream facing port), azaz fogyasztóként (vagy áramfelvevőként), illetve kettős szerepkörű portként (DRP, dual role port). A PD-áramforrások belül felhúzó ellenállásokat kapcsolnak két vezérlővonalra (CC1 és CC2). A PD-fogyasztók belső lehúzó ellenállásokon keresztül azonosítják magukat.

A két CC vezérlővonalat legfeljebb 356 bit hosszúságú PD-üzenetek továbbítására használják 300 kHz órajelen. A két vezérlővonal használható egyidejűleg (1. ábra). A rövid vezérlőüzenetek két kapcsolódó port között koordinálják az üzenetáramlást, míg a hosszabb adatüzenetek az áramellátás egyeztetésére és a beépített önellenőrzés (BIST, built-in self-test) vezérlésére vagy gyártóspecifikus tartalom továbbítására szolgálnak.

1. ábra: A PD-üzenetek hossza dinamikusan 356 bitig terjedhet (ábra: Cypress Semiconductor, az embedded.com webhelyről)

Teljesítményegyeztetés a PD-eszközök között

Az USB PD 3.0 SPR szabvány több állandó feszültségszintet határoz meg 5 V és 20 V között, és csak statikus teljesítményprofilokat támogat, egészen 100 W-ig. A programozható tápegység (PPS, programmable power supply) kiterjesztés használatával az USB-fogyasztók valós időben kérhetnek az USB-áramforrástól 3 V és 21 V közötti feszültséget 20 mV-os lépésekben, igényeik szerint.

A programozható tápegység ezáltal egyszerűsíti a mobil eszközben lévő kapcsolóüzemű áramátalakító elektronikáját, csökkenti a hőtermelést, és a teljesítményillesztés optimalizálásával felgyorsítja a töltést. Az USB PD 3.1 kibővített teljesítménytartományt (EPR, extended power range) határoz meg maximum 240 W-ig, és állítható feszültségellátást (AVS, adjustable voltage supply) használ a sínfeszültség szabályozására egy magasabb, 15 V és 48 V közötti tartományban.

Mivel a 3 A már meghaladja a hagyományos USB-kábelek áramtovábbító képességét, az USB-IF (USB Implementers Forum, USB-gyártók fóruma) előírja, hogy speciális EMCA kábeleket kell használni. Ezek nagyobb vezeték-keresztmetszetűek, és vastagabb kábelszigeteléssel vannak ellátva. A kábelek dugóiban lévő E-Marker IC-k a PD protokoll segítségével visszaigazolják a megerősített kábelek ezen jellemzőit, és ezzel befolyásolják az áramforrás és a fogyasztó közötti teljesítményegyeztetést.

A PD-kommunikáció speciális K kódokat használ az üzenetek tagolására. A kommunikáció kezdetét jelző speciális K-kód-szekvencia az úgynevezett csomagkezdet (SOP, start of packet). A szabvány három szekvenciát (kódsorrendet) határoz meg, ezek az SOP, az SOP' és az SOP'', hogy a DFP (USB-áramforrás, például nagy teljesítményű hálózati töltőadapter) kezdeményezőként kommunikálhasson az EMCA kábelcsatlakozókban lévő két E-Marker IC bármelyikével, valamint az UFP-vel (USB-fogyasztó).

A 2. ábrán látható folyamatábra az EMCA kábelen keresztül csatlakozó két PD-eszköz közötti sikeres teljesítményegyeztetés során történő üzenetváltást mutatja be.

2. ábra: A képen két USB PD-eszköz között EMCA kábelen keresztül folytatott sikeres áramellátási egyeztetés látható. Megjegyzés: Rqt = kérés; Ack = nyugtázás (ábra: Cypress Semiconductor, az embedded.com webhelyről)

Programozás helyett beállítás

A PD protokoll bonyolultsága fáradságos programozási feladatot jelent a fejlesztők számára. Gyorsabb megoldás egy gyárilag programozott USB PD-vezérlő beállítása egyéni funkciók használatára. Jó példa erre az onsemi cég FUSB15101MNTWG jelű PD-vezérlője. Ez egy nagy integráltsági fokú USB PD 3.1 vezérlőegység, amely egy optocsatolón keresztül képes vezérelni egy hálózati adapter primer oldali kapcsolóüzemű feszültségszabályozóját, vagy közvetlenül vezérelni egy egyenáram-átalakítóról táplált portot ellátó feszültségszabályozót.

Ez a teljes körű megoldás az optimalizált hardveres perifériák révén – beleértve a digitális-analóg és analóg-digitális átalakítókat, a negatív hőmérsékleti együtthatójú (NTC) hőmérséklet-érzékelőket és az NMOS kapuvezérlőket – minimálisra csökkenti az áramkörök bonyolultságát. Az alkalmazásprogramozási felülettel (API) ellátott nyílt forráskódú firmware és az Eclipse alapú beépített fejlesztőkörnyezet (IDE) megkönnyíti a programozást.

Az FUSB15101 egy kiváló hatásfokú ARM® Cortex® M0+ processzort és egy UART csatlakozót tartalmaz, és támogatja a PPS szabványt, 3,3 V és 21 V között szabályozva a kimenőfeszültséget. Programozható állandófeszültség- (CV, constant voltage) és állandóáramerősség- (CC, constant current) szabályozást kínál, és kompenzálja a kábelveszteségeket. Emellett el van látva túlfeszültség-, feszültségesés-, túláram- és túlmelegedés-védő funkciókkal, valamint az USB-C csatlakozó érintkezőin lévő túlfeszültségvédő diódákkal is. A PD-vezérlő támogatja az EMCA kábelekben lévő E-Marker IC-k V_CONN feszültséggel való ellátását, míg az üresjárati és alvó üzemmódok megfelelnek a megfelelőségi tanúsítványban (CoC, Certificate of Conformity) található és a kísérleti tervezésre előírt (DOE, Design of Experiments) követelményeknek.

Jellemzően a következő felhasználási területeken használják őket:

• USB PD-kompatibilis hálózati adapter (lásd: 1. eszköz)
• USB PD-kompatibilis egyenáram-átalakítóról ellátott portok (lásd: 2. eszköz)

1. eszköz: kapcsolóüzemű hálózati tápegység USB PD kimenettel

Ebben az eszközben az FUSB15101 USB PD-vezérlő egy optocsatolón keresztül vezérel egy kapcsolóüzemű hálózati tápegység primer oldalán lévő NCP1345Q02D1R2G kvázirezonáns (QR, quasi-resonant) visszafutásos kapcsolóüzemű feszültségszabályozót. Az NCP1345 a transzformátor egyik segédtekercséből származó 9–38 V feszültségről működik, miközben egy második segédtekerccsel négyszer nagyobb feszültséget állít elő, hogy kis, 3,3 V-os USB-kimenőfeszültségnél is elegendő kapcsolási feszültséget biztosítson egy MOSFET számára. A szekunder oldalon az NCP4307AASNT1G vezérlőegység a szinkron egyenirányítást szabályozza. A három IC kombinációja olyan váltható több kimenőfeszültségű tápegységet eredményez, amely a különböző PD-teljesítményprofilok esetén következetesen 90% körüli hatásfokot ér el.

A 3. ábrán egy olyan USB-C PD 3.0 programozható tápegységként működő (PPS) hálózati töltő fő kapcsolási rajza látható, amely három IC-re épül, és 65 W (20 V/3,25 A) leadására képes

3. ábra: Ebben az USB PD hálózati töltőkhöz készült eszközben az FUSB15101 egy optocsatolón keresztül vezérel egy kapcsolóüzemű hálózati tápegység primer oldalán lévő NCP1345 kvázirezonáns visszafutásos kapcsolóüzemű feszültségszabályozót (kép: onsemi)

A programozók a 4. ábrán látható onsemi NCP1342PD65WGEVB fejlesztőkártya segítségével vághatnak bele saját USB PD tápegységük tervezésébe.

4. ábra: Az NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0 hálózatitöltő-fejlesztőkártya használatával a programozók azonnal belevághatnak saját tápegységük tervezésébe (kép: onsemi)

A kártya energiatároló fojtótekercse egy kis méretű RM8 transzformátor képében 60 W (20 V/3 A) kimenőteljesítményt tesz lehetővé. Az NCP1342BMDCDD1R2G kvázirezonáns visszafutásos kapcsolóüzemű feszültségszabályozó 9–28 V feszültséggel működik, egyetlen segédtekercsről. Alkalmas váltakozó áramú hálózatra nem kapcsolódó nagy teljesítményű áramátalakítók és USB PD adapterek fejlesztéséhez, és gyors frekvencia-visszafogást (RFF, rapid frequency foldback) használ a teljes terhelési tartományban elért jobb hatásfok érdekében. Az X2 kondenzátorok beépített aktív kisütő áramköre szükségtelenné teszi a kisütő ellenállásokat, és lehetővé teszi a terhelésmentes állapotban 40 mW alatti fogyasztást.

2 eszköz: egyenáram-átalakító feszültségszabályozó USB PD porthoz

Ebben az eszközben az FUSB15101 USB PD-vezérlő az NCV81599MWTXG négyfokozatú feszültségcsökkentő/feszültségnövelő egyenáram-átalakító feszültségszabályozót vezérli. Ez lehetővé teszi, hogy az egyébként 15 W-ra korlátozott USB-C portot több mint 60 W-os nagy teljesítményű (PD) áramforrássá lehessen bővíteni, amelyet a készülék belső egyenáramú tápegysége vagy egy akkumulátor lát el árammal (5. ábra).

5. ábra: Ebben a egyenáramú portot ellátó feszültségszabályozó eszközben az FUSB15101 közvetlenül vezérli az NCV81599 négyfokozatú egyenáram-átalakító feszültségszabályozót (kép: onsemi)

A fejlesztők időt takaríthatnak meg, és az FUSB3307MPX-PPS-GEVB fejlesztőkártya használatával azonnal megkezdhetik az NCV81599 tesztelését és programozását. Ez az egyenáram-átalakító feszültségszabályozó áramkör PD 3.0 programozható tápegységként működő áramforrássá alakít át egy USB-portot, amely 3,3 V és 21 V közötti sínfeszültség mellett akár 5 A-t is képes szolgáltatni (6. ábra). Az áramkör képes az E-Marker IC-vel ellátott kábelek érzékelésére, és működtethető önállóan vagy vizsgálóberendezéshez csatlakoztatva is.

6. ábra: Az FUSB3307MPX-PPS-GEVB az NCV81599-hez készült fejlesztőkártya, amely az USB-portokat PD 3.0 programozható tápegységként működő áramforrássá alakítja át (kép: onsemi)

Az FUSB3307 fejlesztőkártya V_BAT bemenetét egy egyenáramú tápegység vagy akkumulátor látja el 4,5 V és 32 V közötti tápfeszültséggel. Az áramkör állandó feszültség (CV) és állandó áramerősség (CC) szabályozására is alkalmas, és el van látva túlfeszültség, feszültségesés, rövidzárlat, túlmelegedés és kábelhiba elleni védelemmel.

Az FUSB15101 programozása

Az FUSB15010 firmware-e egy erősen optimalizált USB-C PD-vezérlő-illesztőprogram, amely támogatja az FUSB15010 beépített ARM Cortex M0+ processzorát. A firmware rugalmasan kezeli az új PD-üzeneteket, valamint a további USB-C-állapotüzeneteket. A kód modulrendszerűen épül fel, elkülönítve az alkalmazás forráskódját, a hardverabsztrakciós réteget, a platformfüggő kódot és az USB-C PD-alapfunkciókat.

A PD-alapfunkciók a projekt verzióbeállításain keresztül vagy a vif_info.h gyártóadatfájl módosításával állíthatók be. A kódbázis tartalmaz egy Eclipse mintaprojektet, amely az IDE segítségével fordítható le, így gyorsabb az USB-C PD önálló vezérlőegység kiértékelésének gyorsabb megkezdésére ad módot.

Az 1. táblázat az FUSB15101 által támogatott PD-profilokat foglalja össze (az áramellátó eszköz időnként az angol a PDO – power delivery object – rövidítéssel is előfordul a szakirodalomban).

1. táblázat: Az FUSB15101 által támogatott PD-profilok (táblázat: onsemi)

Mint említettük, a töltési profil paraméterei nagyon egyszerűen módosíthatók a vif_info.h fájlban. A következő kód azt mutatja, hogyan lehet a 4. áramellátó eszközben a legnagyobb áramerősséget 20 V/3 A-ról 20 V/3,25 A-ra módosítani:

Az áramellátó eszköz jelenlegi értékei:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20 000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3,00 A

Az áramellátó eszköz új értékei:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20 000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3,25 A

Az IDE telepítésével, valamint a firmware importálásával és a bináris fájl lefordításával kapcsolatos további részletek és utasítások az FUSB15101EVBSPG használati utasításában találhatók.

A programozóeszközök telepítése és az egyszeri memóriába töltés menete az UM70086-D használati utasításában található. A fejlesztést megkönnyítő, megfelelő ARM Cortex-M programozó és hibakereső adapter a Segger Microcontroller Systems cég 8.08.91 J-LINK EDU MINI nevű eszköze.

A PD-kommunikáció ellenőrzése

Két USB PD-eszköz közötti kommunikáció ellenőrzéséhez a fejlesztők használhatják az Infineon Technologies cég CY4500 protokollelemzőjét, amely támogatja az USB PD 3.0 és az USB-C szabványt. Behatolásmentes tesztelést végez, és elfogja a pontos protokollüzeneteket a CC vezérlővonalakon. A hozzá kapcsolódó EZ-PD elemzőszoftver részletesen kilistázza a két USB PD-eszköz és a köztük lévő EMCA kábel közötti párbeszéd összes üzenetét (7. ábra).

7. ábra: Az EZ-PD elemzőszoftver nyomon követi a két USB PD eszköz között a CC vezérlővonalakon keresztül zajló párbeszédet (kép: Infineon Technologies)

Összegzés

Bár fontos megérteni az USB PD protokoll alapjait, hogy a készülékeket a végfelhasználói eszközök növekvő energiaigényének megfelelően alakíthassuk, ez egy bonyolult protokoll, amely nagy mennyiségű programozást igényelhet. Az időmegtakarítás érdekében a fejlesztők használhatnak gyárilag programozott, nagy integráltsági fokú USB PD-vezérlőket arra, hogy a 15 W-os USB-C teljesítményt 100 W fölé növeljék. A hálózati USB-töltők, valamint az egyenáram-átalakítóról táplált USB-portok a PD-vezérlő egyszerű beállításával bővíthetők egyéni PD-funkciókkal. A fejlesztőkártyák és egy PD-protokoll-elemző használata megkönnyíti a fejlesztési folyamatot.