Kontrolery odbiorników USB PD 3 zasilają rozwiązania w standardzie USB Type-C

Czasy specjalnych ładowarek do urządzeń szybko mijają, ponieważ lokalne organy regulacyjne zaczynają wymagać uniwersalnych rozwiązań do ładowania opartych na standardowym kablu i złączu USB Type-C®. Projektanci produktów, którzy chcą sprostać wymaganiom regionalnym i zapewnić zgodność z narzuconymi normami mogą zoptymalizować swoje zastosowania pod kątem nowych rozwiązań, wykorzystując kontrolery odbiorników USB PD, które negocjują zasilanie pomiędzy urządzeniami i ładowarkami.

Po 2024 roku w Unii Europejskiej wszelkie przewodowe urządzenia z możliwością ładowania wymagające mocy do 100W muszą wykorzystywać port USB Type-C z funkcją ładowania zgodny ze specyfikacjami USB PD (laptopy są tymczasowo zwolnione z tego wymogu do 2026 r.). Inne nakazy przyjęcia tej normy zaczną obowiązywać w 2025 r. w Indiach i Arabii Saudyjskiej, a następnie w 2026 r. w Kalifornii.

Zwykłe złącze USB Type-C może dostarczać tylko 5V przy 3A, co daje łącznie moc 15W. Osiągnięcie mocy 100W wymaga specyfikacji USB PD 3.0 lub USB PD 3.1, które pozwalają złączom Type-C na przenoszenie wyższych napięć, a jednocześnie na przesyłanie danych z dużą prędkością. Specyfikacja USB PD 3.0 obsługuje moce do 100W i ustalone napięcia 5V, 9V, 15V i 20V oraz prądy maksymalne 5A. Zaktualizowana specyfikacja USB PD 3.1 zawiera funkcje rozszerzonego zakresu mocy (EPR) i zaawansowanego zasilania (AVS), zwiększając moc wyjściową nawet do 240W i wprowadzając trzy nowe ustalone napięcia 28V, 36V i 48V.

Specyfikacje USB PD 3.x stanowią ulepszenie w stosunku do wcześniejszych wersji PD 2.0 dzięki zwiększeniu ilości informacji wymienianych pomiędzy odbiornikiem (urządzeniem odbierającym energię) i źródłem (urządzeniem dostarczającym energię), w celu uwzględnienia czynników, które mogą mieć wpływ na zastosowanie, takich jak stan naładowania baterii urządzenia, temperatura baterii, awarie i nadmierne napięcie. Moc 100W dostarczana przez USB PD 3.0 wystarcza do ładowania niektórych laptopów, monitorów, a nawet telewizorów. Standard USB PD obsługuje również sygnały wyjściowe wideo i audio, w tym DisplayPort i HDMI, a także protokoły przesyłania danych, takie jak Thunderbolt 3.

Coraz szersze zastosowania

Projektanci produktów mogą wykorzystać standard USB PD 3.x, aby zapewnić użytkownikom lepszy komfort użytkowania dzięki szybszemu ładowaniu i przesyłaniu danych oraz kompatybilności urządzeń z użyciem jednego kabla i złącza. Można uznać, że przyczynią się w ten sposób do ograniczenia ilości elektrośmieci, które gromadzą się w wyniku używania przez konsumentów i firmy wielu kabli i ładowarek do ładowania wielu urządzeń. Omawiana technologia pozwala projektantom na upraszczanie projektów, dzięki użyciu mniejszej liczby portów i komponentów. Ponadto mogą oni obniżyć koszty produkcji i wysyłki poprzez zmniejszenie wagi produktów i eliminację dodatkowych opakowań ładowarek, a także poprzez skrócenie czasu i obniżenie wysiłku wymaganego do unowocześniania ładowarek pod kątem nowych urządzeń.

Dzięki wykorzystaniu jednego kabla i złącza do realizacji wielu funkcji, projektanci mogą skupić się na tworzeniu nowych i ulepszonych rozwiązań, które będą wykorzystywać dużą moc i wysokie szybkości przesyłu danych standardu USB Type-C PD. Mogą również poprawić środowisko użytkownika i funkcjonalność swoich produktów dzięki dodatkowym funkcjom, takim jak stacje dokujące, koncentratory i konwertery, które zwiększają łączność oraz kompatybilność urządzeń.

Opracowując nowe zastosowania wykorzystujące standard USB PD 3.0, projektanci produktów stają przed takimi wyzwaniami jak przestrzeganie specyfikacji USB PD oraz zapewnienie interoperacyjności z innymi urządzeniami i ładowarkami. Zapobieganie uszkodzeniom lub obrażeniom ciała spowodowanym nadmiernym napięciem, nadmiernym prądem lub odwrotną polaryzacją to kolejna kluczowa kwestia, zwłaszcza że rozwiązania wykorzystujące omawianą technologię posiadają bardziej złożone obwody i oprogramowanie układowe niż ich wcześniejsze generacje. W przezwyciężeniu tych wyzwań pomagają kontrolery Power Delivery (PD) obsługujące wiele protokołów i konfiguracji oraz płytki ewaluacyjne, które umożliwiają szybkie prototypowanie i weryfikację.

Standard USB Type-C PD w praktyce

Kluczowa w technologii USB PD 3.0 jest możliwość negocjowania i zarządzania zasilaniem pomiędzy odbiornikiem a źródłem zasilania przy użyciu znormalizowanego protokołu. Kontrolery odbiorników USB PD negocjują ze źródłem USB PD, np. ładowarką, w celu uzyskania profilu zasilania urządzenia. Zgodne urządzenia mogą żądać i dostarczać różnych napięć i prądów w zależności od potrzeb i możliwości oraz dynamicznie dostosowywać poziomy mocy podczas pracy.

Proces negocjowania zasilania i zarządzania nim składa się z czterech etapów:

• Wykrywanie występuje, gdy odbiornik i źródło identyfikują się nawzajem jako urządzenia kompatybilne ze standardem USB PD i ustanawiają kanał transmisji danych przez wtyki kanału konfiguracyjnego (CC) na złączu USB Type-C.
• Wymiana możliwości ma miejsce, gdy źródło identyfikuje obsługiwane profile mocy - poziomy napięcia i prądu - dostarczane odbiornikowi, który następnie żąda profilu zgodnego z wymaganiami.
• Uzgadnianie zasilania to proces, w którym źródło akceptuje lub odrzuca żądanie odbiornika. W przypadku akceptacji, źródło zaczyna dostarczać żądaną moc do odbiornika z wykorzystaniem uzgodnionych parametrów zasilania.
• Aktualizacja reguły zasilania umożliwia odbiornikowi lub źródłu zainicjowanie nowej negocjacji mocy w celu dostosowania się do zmian poziomu naładowania baterii lub obciążenia odbiornika, bądź zmian mocy wejściowej źródła.

Standard USB PD 3.0 wykorzystuje rozbudowane komunikaty zarządzające wymianą informacji między odbiornikiem a źródłem, takich jak stan baterii, temperatura lub dane producenta. Obsługuje również tryb zasilacza programowanego (PPS), który umożliwia bardziej precyzyjne sterowanie prądem i napięciem wyjściowym źródła, a także płynne przełączanie ról zasilania między odbiornikiem a źródłem bez zakłócania transmisji danych.

Inną kluczową funkcją USB PD 3.0 jest ładowanie wsteczne, które pozwala urządzeniu z baterią o większej pojemności ładować urządzenie o mniejszej pojemności, niezależnie od pełnionej roli. Na przykład przy użyciu tego samego kabla USB Type-C laptop może ładować smartfon, a ten sam smartfon może ładować zestaw słuchawkowy, co jest oczywistą korzyścią dla użytkowników urządzeń, którzy mogą używać jednego kabla do ładowania wielu urządzeń. Ładowanie wsteczne może nie być zgodne ze wszystkimi urządzeniami lub ładowarkami. Ponadto może ono skutkować skróceniem czasu pracy baterii urządzenia działającego jako źródło oraz zwiększyć złożoność i koszt projektu obwodu. Podobnie jak w przypadku wszystkich zastosowań elektronicznych, projektanci produktów muszą rozważyć kompromisy związane z wdrożeniem ładowania wstecznego, aby zapewnić zgodność ze specyfikacjami USB PD 3.x oraz przetestować interoperacyjność z wieloma urządzeniami i ładowarkami.

Kontrolery odbiorników USB 3

Aby zapewnić funkcjonalność standardu USB PD 3.x w swoich urządzeniach, projektanci produktów mogą użyć dedykowanych kontrolerów odbiorników, które obsługują omawiany protokół oraz obsługują komunikację z urządzeniem źródła. Firma Diodes Incorporated oferuje wysoce zintegrowane i ekonomiczne rozwiązania, które zapewniają szybkie ładowanie, ładowanie wsteczne, tryb z zasilaczem programowalnym (PPS) i inne funkcje USB PD 3.x. Obsługują one również starsze protokoły, takie jak Qualcomm Quick Charge 4+ i FCP/SCP firmy Huawei, zapewniając kompatybilność z szeroką gamą ładowarek i zasilaczy. Urządzenie AP33771 (ilustracja 1) to kontroler USB PD 3.0, który zawiera oprogramowanie układowe zgodne ze standardem USB PD 3.0 oraz interfejs z fabrycznie załadowanym menu zasilania, co upraszcza jego użycie. Posiada ono jeden kanał wyjściowy, który może dostarczać maksymalnie 27W mocy.

Ilustracja 1: Przypisanie wtyków kontrolera odbiornika AP33771. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)

Urządzenie AP33772 (ilustracja 2) to kontroler USB PD 3.0, który wykorzystuje interfejs I²C oraz wbudowane oprogramowanie układowe do negocjowania mocy i napięcia. Zapewnia to projektantom większą elastyczność we wdrażaniu wszystkich funkcji odbiorników PD. Posiada również dwa kanały wyjściowe, które mogą dostarczać maksymalnie 45W mocy oraz wbudowane zabezpieczenie nadnapięciowe (OVP) dla każdego kanału, zapobiegające uszkodzeniu urządzenia w przypadku wadliwej ładowarki lub kabla.

Ilustracja 2: Kontroler odbiornika AP33772 firmy Diodes jest dostarczany w tej samej obudowie co AP33771, ale posiada inne przypisanie wtyków. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)

Firma Diodes oferuje również kontroler odbiornika USB PD 3.1, AP33771C, który obsługuje rozszerzony zakres mocy (EPR) i zaawansowane zasilanie (AVS) do napięcia 28V, a także standardowy zakres zasilania (SPR) oraz tryb zasilacza programowanego (PPS) do napięcia 21V. Każdy z tych kontrolerów charakteryzuje się niskim poborem mocy w trybie czuwania, wysoką sprawnością oraz funkcjami zabezpieczenia termicznego. Są one dostępne w niewielkich obudowach W-QFN4040-24 (4mm x 4mm), dzięki czemu mogą być używane w urządzeniach kompaktowych i przenośnych.

Ponadto firma Diodes oferuje dwie płytki ewaluacyjne dla swoich kontrolerów USB PD 3.0. Urządzenia AP33771-EVB i AP33772-EVB są przeznaczone do zastosowań ładowania z wykorzystaniem urządzeń wyposażonych w złącze Type-C oraz ładowarki lub adaptery PD wyposażone w złącze Type-C. Do negocjacji USB-PD urządzenie AP33771-EVB wykorzystuje proste ustawienie rezystora, natomiast AP33772-EVB wykorzystuje protokół I²C.

Podsumowanie

Wszystko wskazuje na to, że USB Type-C stanie się globalnym standardem łączności danych urządzeń. Protokoły USB PD 3.x oferują projektantom produktów możliwość budowania rozwiązań zapewniających większą moc, szybsze ładowanie i lepszy transfer danych dla ich urządzeń z wykorzystaniem akceptowanych na całym świecie złączy i kabli, eliminując potrzebę stosowania ładowarek przeznaczonych tylko do konkretnych urządzeń. Dzięki rozwiązaniom firmy Diodes Incorporated projektanci produktów mogą z łatwością zintegrować standard USB PD 3.0 lub PD 3.1 w swoich produktach w celu zwiększenia ich parametrów działania i poprawy komfortu użytkowania.

Źródło: Kontrolery odbiorników USB PD 3 zasilają rozwiązania w standardzie USB Type-C

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!