USB PD 3 vezérlők használata USB Type-C áramkörökben a megfelelő áramellátás biztosításához

A gyártóspecifikus eszköztöltők korszaka leáldozófélben van, mivel a regionális hatóságok már szabványos USB Type-C® kábelre és csatlakozókra épülő univerzális töltési megoldásokat követelnek meg. A regionális követelményeknek megfelelni igyekező terméktervezők ezen új szabvány szerinti korszaknak megfelelő, optimalizált áramköröket tudnak építeni olyan USB Power Delivery (PD) vezérlők használatával, amelyek a táplált eszköz és az áramforrás csatlakoztatásakor elvégzik az egyik eszköz (a nyelő) által igényelt és a másik eszköz (a forrás) által szolgáltatni képes teljesítmény egyeztetését.

2024 decembere után az Európai Unión belül minden vezetékes tölthető eszköznek 100 W felső határértékig az USB PD specifikációknak megfelelő USB Type-C töltőcsatlakozóval kell rendelkeznie (azzal, hogy a laptopok esetében a gyártók 2026-ig ideiglenesen mentesülnek e kötelezettség alól). Ugyanezen előírás és szabvány elfogadására vonatkozó kötelezettség Indiában és Szaúd-Arábiában 2025-ben, Kaliforniában pedig 2026-ban lép hatályba.

Az USB Type-C önmagában csak 5 V-ot képes szolgáltatni 3 A erősségű árammal, ami összesen 15 W-ot jelent. A 100 W teljesítmény eléréséhez az USB PD 3.0 vagy az USB PD 3.1 specifikációk alkalmazására van szükség, amelyek biztosítják, hogy a Type-C csatlakozókkal rendelkező eszköz nagyobb feszültséget tudjon igényelni, biztosítva ugyanakkor a nagy sebességű adatátvitel lehetőségét is.

Az USB PD 3.0 szabvány legfeljebb 100 W teljesítményt és 5 V, 9 V, 15 V és 20 V fix feszültségeket támogat, 5 A maximális áramerősséggel. Az újabb USB PD 3.1 specifikáció kibővített teljesítménytartományt (Extended Power Range, EPR) és jobb feszültségellátást (Advanced Voltage Supply, AVS) kínál, 240 W-ra növelve a maximális kimeneti teljesítményt, és három új fix feszültséggel (28 V, 36 V és 48 V) bővíti a szabványt.

A korábbi PD 2.0 verziókhoz képest az USB PD 3.x specifikációk a nyelő (az áramot fogadó eszköz) és a forrás (az áramot szolgáltató eszköz) közötti információcsere növelésével továbbfejlesztést jelentenek, kiterjedve az áramköri rendszert befolyásoló egyéb tényezőkre is, például az eszköz akkumulátorának töltési állapotára, az akkumulátor hőmérsékletére, a meghibásodásokra és a túlfeszültségre.

Az USB PD 3.0 által biztosított 100 W-os teljesítmény elegendő egyes laptopok, monitorok, sőt, még egyes televíziók töltéséhez is. Az USB PD videó- és hangkimenetet is támogat, például a DisplayPort és a HDMI szabványt, valamint adatátviteli protokollokat, például a Thunderbolt 3-at.

Továbbfejlesztett áramköri rendszerek

A termékek tervezői számára adott a lehetőség az USB PD 3.x verziók által kínált előnyök kihasználására, és így a gyorsabb töltés és adatátvitel révén, valamint az egyetlen kábel és az azonos típusú csatlakozó által kínált eszközkompatibilitással jobb használati élményt tudnak nyújtani a felhasználóknak. Bátran állítható továbbá, hogy a szabványnak köszönhetően a magánszemélyek és cégek által használt többféle töltőkábel és töltő használata és fokozatos elavulása miatt felhalmozódó elektronikai hulladék mennyisége is csökkenthető.

A technológia lehetővé teszi a tervezők számára, hogy egyszerűsítsék a konstrukcióikat a kevesebb csatlakozóaljzatnak és szükséges alkatrésznek köszönhetően. Ezen túlmenően, mivel nem kell feltétlenül egy töltőt is biztosítani a termék mellé, a súly és a csomagolás mérete is csökkenthető, valamint az új eszközspecifikus töltők létrehozásához szükséges időnek és munkának a megszüntetésével a gyártási és szállítási költségek is redukálódhatnak.

Egyetlen kábel és csatlakozó több funkcióra való használatával a tervezők olyan új és továbbfejlesztett áramköri rendszerek létrehozására összpontosíthatnak, amelyek kihasználhatják az USB Type-C PD által kínált nagy teljesítményt és adatátviteli sebességet. A felhasználói élményt és funkcionalitást kiegészítő funkciókkal is növelhetik, például dokkolóállomásokat, hubokat és átalakítókat építhetnek, amelyek bővítik az eszközök összekapcsolhatóságát és kompatibilitását.

Az USB PD 3.0-ra épülő új rendszerek fejlesztése során van néhány probléma, amire a terméktervezőknek oda kell figyelniük, például az USB PD specifikációk betartására, valamint a más eszközökkel és töltőkkel való interoperabilitás biztosítására.

A túlfeszültség, túláram vagy fordított polaritás okozta károk vagy sérülések megelőzése szintén kritikus szempont, különösen azért mivel az ilyen technológiát használó megoldásokban a korábbi generációkhoz képest összetettebb áramkörök illetve firmware van. Ezen problémák és feladatok leküzdésében a többféle protokollt és konfigurációt támogató tápellátás-vezérlők, valamint a gyors prototípusfejlesztésre és ellenőrzésre alkalmas fejlesztői kártyák jelentenek segítséget.

Az USB Type-C PD lehetőségeinek kihasználása

Az USB PD 3.0 által kínált egyik kulcsfontosságú képesség, hogy lehetőséget nyújt a táplált eszköz által igényelt és a tápforrás által szolgáltatni képes teljesítmény egyeztetésére egy szabványosított protokoll segítségével. A töltendő vagy táplálandó eszközön lévő USB PD-vezérlők egy USB PD tápforrással, például egy töltővel kommunikálnak az eszköz teljesítményprofiljának meghatározásához. A szabvánnyal kompatibilis eszközök igényeiknek illetve képességeiknek megfelelően különböző feszültségeket és áramerősségeket igényelhetnek illetve szolgáltathatnak, a teljesítményszint működés közbeni dinamikus módosíthatóságával.

A teljesítményleadás egyeztetésének és szabályozásának folyamata négy szakaszból áll:

• Az első az egymás felfedezése, amikor az áramot igénylő eszköz (a nyelő) és a tápforrás (forrás) USB PD-kompatibilis eszközként azonosítják egymást, és adatkommunikációs csatornát hoznak létre az USB Type-C csatlakozón lévő CC (konfigurációs csatorna) lábakon keresztül.
• A képességek közlése az, amikor a forrás közli az általa támogatott teljesítményprofilokat (feszültség- és áramszintek) a nyelőnek, amely ezután a saját igényeinek megfelelő profilt kéri.
• A teljesítményszolgáltatási egyezmény egy folyamat, amelynek során a forrás elfogadja vagy elutasítja a nyelő kérését. Elfogadás esetén a forrás elkezdi szolgáltatni a kért teljesítményt a nyelő számára a megállapított teljesítményparamétereknek megfelelően.
• A teljesítményszolgáltatási egyezmény frissítése lehetővé teszi a nyelő vagy a forrás számára, hogy új teljesítményegyeztetést kezdeményezzen, igazodva az akkumulátorok töltöttségi szintjének vagy a nyelő által felvett teljesítmény változásaihoz, illetve a forrás bemeneti teljesítményéhez.

Az USB PD 3.0 hosszabb üzeneteket használ a nyelő és a forrás közötti információcsere lebonyolítására, amelyek vonatkozhatnak például az akkumulátor állapotára, a hőmérsékletre vagy más gyártóspecifikus adatokra. Támogatja a programozható tápellátás (PPS) üzemmódot is, amely lehetővé teszi a forrás kimeneti feszültségének és áramának finomabb szabályozását, valamint a tápellátási szerepek zökkenőmentes váltását a nyelő és a forrás között az adatkommunikáció megszakítása nélkül.

Az USB PD 3.0 másik kulcsfontosságú képessége a fordított töltés, amely lehetővé teszi, hogy egy nagyobb akkumulátorkapacitású eszköz töltsön egy kisebb kapacitású eszközt, függetlenül a tápellátási szerepektől. Így például ugyanazzal az USB Type-C kábellel egy laptop tölthet egy okostelefont, vagy ugyanez az okostelefon egy headsetet, ami nyilvánvalóan előnyös a felhasználók számára, mivel így egy kábellel több eszközt is tölteni tudnak.

A fordított töltés nem minden eszközzel vagy töltővel kompatibilis. Ezenkívül a forrásként működő eszköz akkumulátor-üzemideje csökkenhet, és növelheti az áramkör összetettségét és költségeit. Tehát, mint minden elektronikus rendszer esetében, a terméktervezőknek mérlegelniük kell, hogy a fordított töltés megvalósításakor milyen kompromisszumokat kell hozni, hogy az USB PD 3.x specifikációnak való megfelelés biztosítva legyen, és tesztelniük kell az interoperabilitást számos eszközzel és töltővel.

Táplált eszközbe építhető USB 3 vezérlők

Az USB PD 3.x funkciók kihasználásához a terméktervezők az ezt a protokollt támogató nyelő oldali dedikált vezérlőket tudnak használni, melyek képesek lebonyolítani a kommunikációt a forráseszközzel.

A Diodes Incorporated olyan nagyfokúan integrált és költséghatékony megoldásokat kínál, amelyek gyors töltést, fordított töltést és PPS üzemmódot biztosítanak, az USB PD 3.x további funkcióival egyetemben. Támogatják az olyan hagyományos protokollokat is, mint a Qualcomm Quick Charge 4+ és a Huawei FCP/SCP, így a töltők és adapterek széles skálájával kompatibilisek.

Az AP33771 (1. ábra) egy USB PD 3.0 vezérlő, amely ezzel a szabvánnyal kompatibilis firmware-rel és előre betöltött tápellátási menüvel ellátott interfésszel rendelkezik, ami egyszerűbbé teszi a használatát. Egyetlen kimeneti csatornát biztosít, amely akár 27 W teljesítmény leadására képes.

1. ábra: A táplált eszközökbe építhető AP33771 vezérlő lábkiosztása (kép: Diodes Incorporated)

Az AP33772 (2. ábra) egy USB PD 3.0 vezérlő, amely I²C interfészt és beépített firmware-t használ az áram és a feszültség egyeztetésére. Ez nagyobb rugalmasságot biztosít a tervezők számára az összes nyelő oldali PD-funkció megvalósításához. Két kimeneti csatornát is kínál, amelyek akár 45 W teljesítmény leadására is képesek, és beépített túlfeszültség-védelmi (OVP) áramkörrel rendelkezik mindkét csatornához, amivel elkerülhető a készülék károsodása hibás töltő vagy kábel esetén.

2. ábra: A Diodes nyelő oldali AP33772 jelű vezérlőjét ugyanolyan méretű tokozásban forgalmazzák, mint az AP33771-et, de más lábkiosztással (kép: Diodes Incorporated)

Ezeken kívül a Diodes kínálatában van egy USB PD 3.1 típusú nyelő oldali vezérlő is, az AP33771C, amely 28 V-ig támogatja az EPR/AVS-t és 21 V-ig a Standard Power Range (SPR)/PPS-t.

Mindegyik vezérlő alacsony energiafogyasztással rendelkezik készenléti állapotban, igen hatékonyak és hővédelmi funkciókat biztosítanak. Kis helyigényű W-QFN4040-24 (4 mm x 4 mm) tokozásban kaphatók, így kompakt és hordozható eszközökhöz alkalmasak.

A Diodes emellett két fejlesztői kártyát is kínál az USB PD 3.0 típusú vezérlőihez, az AP33771-EVB-t és az AP33772-EVB-t. Mindkettőt egy Type-C csatlakozóval rendelkező eszköz, és ilyen csatlakozóval rendelkező PD töltőt vagy adaptert tartalmazó töltőáramkörökhöz tervezték. Az AP33771-EVB-nél az USB-PD egyeztetés egy egyszerű ellenállás beállításával történik, míg az AP33772-EVB-nél I²C-n keresztül.

Összegzés

Az USB Type-C jó úton van afelé, hogy globális kommunikációs csatlakozási szabvánnyá váljon. Az USB PD 3.x protokollok a terméktervezők számára olyan konstrukciók létrehozását kínálják, amelyek a világszerte elfogadott csatlakozók és kábelek segítségével nagyobb teljesítményt, gyorsabb töltést és jobb adatátvitelt tudnak biztosítani az eszközök számára, az eszközspecifikus töltők elhagyásával. A Diodes Incorporated megoldásaival a terméktervezők könnyedén integrálni tudják az USB PD 3.0 vagy PD 3.1 szabványt eszközeikbe a teljesítmény és a felhasználói élmény javításához.