Zastosowanie zintegrowanych ładowarek obniżająco-podwyższających do szybszego ładowania USB

Wykorzystanie uniwersalnych ładowarek do baterii litowo-jonowych (Li-ion) i litowo-polimerowych (Li-poly) z podawaniem zasilania USB 3.0 (PD) do ładowania mobilnego (OTG) rośnie w szerokim zakresie zastosowań, między innymi w dronach, smartfonach, tabletach, odkurzaczach bezprzewodowych, przenośnych urządzeniach medycznych, głośnikach bezprzewodowych i urządzeniach elektronicznych w punktach sprzedaży. We wszystkich tych zastosowaniach projektanci są nieustannie naciskani na skrócenie czasu ładowania i zmniejszenie rozmiarów obudowy, zwiększenie gęstości mocy i obniżenie kosztów.

Ładowarki obniżająco-podwyższające w połączeniu z podawaniem zasilania USB mogą umożliwić opracowanie szybkich, wydajnych rozwiązań ładowania przez wejście uniwersalne. Nie są to jednak proste urządzenia i zaprojektowanie ich do obsługi specyfikacji USB OTG może zająć sporo czasu. Zwiększa to koszty i może wpływać na harmonogramy projektowania. Proces projektowania może być dodatkowo skomplikowany przez konieczność przestrzegania kryteriów czasowych i kontrolnych szybkiej zamiany ról (FRS) USB, aby zapewnić, że urządzenie, które dostarcza energię, może szybko stać się odbiornikiem energii w celu zagwarantowania nieprzerwanego połączenia danych.

W przypadku uniwersalnych zastosowań ładowania USB PD projektanci mogą rozwiązać wiele z tych problemów, zwracając się ku zintegrowanym ładowarkom, które usprawniają proces projektowania i wspierają wdrażanie w pełni funkcjonalnych i kompaktowych rozwiązań ładowania obniżająco-podwyższającego, które zapewniają wysoką moc i szybkie ładowanie przy małej liczbie części i wysokiej gęstości mocy.

W tym artykule krótko omówiono potrzebę uniwersalnego ładowania opartego na standardzie USB 3.0 i złączu USB Type-C® oraz złożoność wdrażania rozwiązań ładowania obniżająco-podwyższającego z wykorzystaniem złączy USB, a także funkcji OTG i FRS. Następnie omówione zostaną korzyści wynikające z zastosowania urządzenia zintegrowanego, a dalej przedstawione zostanie zintegrowane rozwiązanie ładowania obniżająco-podwyższającego firmy Texas Instruments z podwójnym selektorem wejścia i obsługą zasilania przez USB 3.0 oraz funkcji OTG i FRS. Opisany zostanie również pomocniczy moduł ewaluacyjny, który ułatwi projektantom rozpoczęcie prac nad kolejną uniwersalną ładowarką USB PD z funkcjami OTG i FRS.

Złożoność ładowania uniwersalnego, funkcji i OTG i FRS

Dzięki ustanowieniu znormalizowanego złącza USB Type-C stał się możliwy rozwój uniwersalnych zasilaczy sieciowych i zmniejszenie ilości elektrośmieci. Jednak standardowe złącza to tylko jeden z czynników. Urządzenia przenośne mają różną liczbę ogniw w swoich bateriach, występuje również znaczna zmienność mocy zasilaczy i ich napięcia w zakresie od 5 do 20V. Połączenie różnych parametrów znamionowych zasilaczy i różnych napięć baterii oznacza, że architektura rozwiązania ładowania USB PD jest złożona i stanowi wyzwanie (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Wewnętrzna konstrukcja rozwiązania ładującego USB PD może być skomplikowana, ponieważ musi ono uwzględniać bardzo różne konfiguracje ogniw baterii i napięć zasilaczy. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Po pierwsze, kontroler USB PD (U4) musi zidentyfikować zasilacz, w tym: wersję specyfikacji ładowania baterii przez USB 1.2 (USB BC1.2), standardowy port następny (SDP), port następny ładowania (CDP), dedykowany port ładowania (DCP), wysokonapięciowy dedykowany port ładowania (HVDCP), a nawet zasilacze niestandardowe. Po nawiązaniu komunikacji między kontrolerem USB PD a zasilaczem układ zarządzania ścieżką zasilania wejściowego i pomiaru prądu (U1) włącza połączone symetrycznie tranzystory mocy MOSFET w celu podłączenia napięcia wejściowego z VBUS do wejścia ładowarki obniżająco-podwyższającej (U2). Jednostka zarządzania ścieżką mocy wejściowej mierzy również napięcie i prąd wejściowy za pomocą rezystora pomiarowego, aby wspierać ochronę przed przepięciami i prądami przetężeniowymi.

Dodatkowe cztery tranzystory MOSFET w module ładowarki obniżająco-podwyższającej (U2) pozwalają zwiększać lub zmniejszać napięcie wejściowe w zależności od napięcia baterii. Kolejny tranzystor mocy MOSFET i rezystor mierzący prąd na wyjściu ładowarki obniżająco-podwyższającej jest potrzebny do obsługi zarządzania ścieżką zasilania ładowarki USB PD o wąskim napięciu prądu stałego (NVDC) i pomiaru prądu ładowania.

Zarządzanie ścieżką zasilania NVDC to specyficzny protokół sterowania, który ustawia system na napięcie nieco wyższe niż napięcie baterii i nie pozwala na spadek napięcia poniżej minimalnego napięcia systemu. Minimalne napięcie systemowe to poziom napięcia, który umożliwia działanie systemu nawet po wyjęciu lub całkowitym rozładowaniu baterii. Ponadto, jeżeli zapotrzebowanie systemu na moc przekracza wartość znamionową zasilacza, tryb uzupełniania baterii umożliwia obsługę dodatkowego zapotrzebowania systemu na moc i zapobiega przeciążeniu zasilacza.