Szybkie zwiększanie mocy przenoszonej z urządzeń USB-C do 100W przy minimalnym programowaniu

Porty uniwersalnej magistrali szeregowej Type-C (USB-C) stają się coraz bardziej popularne, dlatego wielu użytkowników polega na nich, aby dostarczać coraz wyższe poziomy energii elektrycznej do szerokiej gamy urządzeń. Jednak specyfikacja USB-C ogranicza podstawową moc urządzenia typu „tylko Type-C” do maksymalnie 15W (5V, 3A).

Aby obejść to ograniczenie, projektanci mogą dodać technologię USB Power Delivery (PD) i stworzyć urządzenie Type-C PD, które może osiągać moc do 100W (20V, 5A) w standardowym zakresie mocy (SPR). Teraz, zamiast żmudnego programowania kompleksowego protokołu USB PD, deweloperzy mogą łatwo skonfigurować gotowy kontroler PD oraz dodać niestandardowe i zoptymalizowane funkcje PD do ładowarek prądu zmiennego-stałego i portów USB sterowanych prądem.

Niniejszy artykuł zawiera omówienie podstawowych wymagań dla systemów PD. Dodatkowo przedstawiono w nim kontroler PD FUSB15101MNTWG firmy onsemi i pokazano sposób szybkiego rozpoczęcia konfiguracji oprogramowania układowego wstępnie zaprogramowanego kontrolera przy użyciu płytek ewaluacyjnych, oprogramowania rozwojowego, adapterów do programowania i debugowania oraz analizatora protokołu PD.

Przetwornica przełączająca z regulacją mocy sterowaną protokołem

Był czas, kiedy analogowe ładowarki ścienne do urządzeń zasilanych bateryjnie składały się tylko z dwóch komponentów: transformatora i prostownika. Potrzeba wyższej sprawności, większej elastyczności i postępującej miniaturyzacji sprawia, że zasilanie nawet prostych urządzeń elektronicznych jest skomplikowanym przedsięwzięciem. Współczesne przetwornice przełączające oparte na mikrokontrolerach muszą teraz dynamicznie negocjować moc wyjściową z podłączonymi odbiornikami inteligentnymi za pośrednictwem złożonego protokołu.

Jednym z takich protokołów jest USB PD. W wersji 3.1 koordynuje on zasilanie linią elektryczną o mocy do 240W za pośrednictwem inteligentnego kabla połączeniowego USB Type-C z zespołu kablowego z oznaczeniem elektronicznym (EMCA), zachowując jednocześnie kompatybilność wstecz ze starszymi standardami USB. Jednak sterowanie dynamicznym przesyłaniem zasilania z urządzenia zasilanego przez 24-wtykowe złącze USB-C znacznie wykracza poza statyczne napięcia sterujące na liniach danych klasycznego czteroprzewodowego interfejsu USB.

Urządzenie USB PD może działać jako źródło zasilania stanowiące port podrzędny (DFP), odbiornik stanowiący port nadrzędny (UFP) lub w trybie portu dwufunkcyjnego (DRP). Urządzenie źródłowe PD wewnętrznie przełącza rezystory podciągające do dwóch linii sterujących (CC1 i CC2). Urządzenie odbierające energię (PD) identyfikuje się za pomocą wewnętrznych rezystorów obniżających.

Dwie linie CC są jednocześnie używane do przesyłania komunikatów o długości do 356 bitów z częstotliwością zegara 300kHz (ilustracja 1). Krótkie komunikaty sterujące koordynują przepływ komunikatów między dwoma współpracującymi portami, podczas gdy dłuższe komunikaty danych służą do negocjowania mocy i sterowania wbudowanym autotestem (BIST) lub przesyłania treści specyficznych dla OEM.

Ilustracja 1: struktura komunikatu PD może dynamicznie osiągać długość do 356 bitów. (Źródło ilustracji: Cypress Semiconductor, za pośrednictwem embedded.com)

Negocjacja mocy pomiędzy urządzeniami PD

Standardowy zakres mocy (SPR) USB PD 3.0 definiuje kilka stałych poziomów napięcia od 5 do 20V i obsługuje statyczne profile mocy do 100W. Dzięki rozbudowie o o zasilacz programowany (PPS), urządzenie USB odbierające energię może żądać w czasie rzeczywistym napięcia ze źródła zasilania USB w zakresie od 3 do 21V w odstępach co 20mV, zależnie od potrzeb.

Zasilacz programowany (PPS) upraszcza w ten sposób układy elektroniczne przetwornicy przełączającej w urządzeniu mobilnym, zmniejsza rozpraszanie ciepła i przyspiesza ładowanie poprzez optymalizację dopasowania mocy. USB PD 3.1 definiuje rozszerzony zakres mocy (EPR) do maksymalnie 240W i wykorzystuje regulowane napięcie zasilania (AVS) do regulacji napięcia magistrali w wyższym zakresie od 15 do 48V.

Ponieważ już poziom 3A przekracza obciążalność prądową zwykłych kabli USB, USB Implementers Forum (USB-IF) wymaga stosowania specjalnych kabli EMCA. Charakteryzują się one grubszymi przekrojami poprzecznymi przewodów i izolacją kabli. Struktury półprzewodnikowe E-Marker we wtyczkach kablowych potwierdzają te wzmocnione cechy kabla przy użyciu protokołu PD. W ten sposób wpływają one na negocjowanie mocy między urządzeniem źródłowym a urządzeniem odbierającym energię.

Do precyzyjnego określania komunikatów w komunikacji w obrębie protokołu Power Delivery (PD) wykorzystuje się specjalne kody K. Specjalna sekwencja kodów K, która wskazuje jej początek, nazywana jest początkiem pakietu (SOP). Zdefiniowano trzy sekwencje: SOP, SOP’ oraz SOP’’, dzięki którym DFP (źródło zasilania, takie jak sieciowy adapter ładowania PD) może komunikować się jako inicjator z jedną z dwóch struktur półprzewodnikowych E-Marker w złączach kablowych EMCA, a także z urządzeniem USB odbierającym energię (UFP).

Schemat na ilustracji 2 przedstawia wymianę komunikatów podczas pomyślnej negocjacji mocy pomiędzy dwoma urządzeniami PD połączonymi kablem EMCA.

Ilustracja 2 pomyślna negocjacja mocy między dwoma urządzeniami USB PD za pośrednictwem kabla EMCA. Uwaga: Rqt = żądanie; Ack = potwierdzenie. (Źródło ilustracji: Cypress Semiconductor, za pośrednictwem embedded.com)

Konfigurowanie zamiast programowania

Złożoność protokołu PD przekłada się na żmudne sesje programowania dla dewelopera. Szybszym rozwiązaniem jest skonfigurowanie wstępnie zaprogramowanego kontrolera USB PD z niestandardowymi funkcjami. Przykładowym kontrolerem jest urządzenie FUSB15101MNTWG firmy onsemi. Jest to wysoce zintegrowany kontroler USB PD 3.1, który może sterować regulatorem przełączającym zasilacza prądu zmiennego-stałego po stronie pierwotnej za pośrednictwem sprzęgacza optycznego lub bezpośrednio regulatorem natężenia portu prądu stałego.

To kompleksowe rozwiązanie minimalizuje złożoność obwodów dzięki zoptymalizowanym sprzętowym peryferiom, takim jak przetworniki cyfrowo-analogowe i analogowo-cyfrowe, pomiar temperatury NTC oraz sterowniki bramek NMOS. Programowanie ułatwia otwartoźródłowe oprogramowanie układowe z interfejsem programowania aplikacji (API) i zintegrowanym środowiskiem programistycznym (IDE) opartym na środowisku Eclipse.

Kontroler FUSB15101 zawiera wysokosprawny procesor Arm® Cortex® M0+ z interfejsem UART i obsługą specyfikacji PPS, reguluje napięcie wyjściowe w zakresie od 3,3 do 21V. Oferuje programowaną regulację stałego napięcia (CV) i stałego natężenia prądu (CC) oraz kompensację strat w kablu. Dostępne są również funkcje zabezpieczające przed nadmiernym i zbyt niskim napięciem, nadmiernym prądem i nadmierną temperaturą, a także diody zabezpieczające przed nadmiernym napięciem na wtykach złącza USB-C. Kontroler PD obsługuje zasilanie V_CONN dla struktur półprzewodnikowych E-Marker w kablach EMCA, a tryby jałowy i uśpienia spełniają wymagania certyfikatów zgodności (CoC) i projektowania eksperymentów (DOE).

Przykłady typowych zastosowań:

• Zasilacz prądu zmiennego-stałego zgodny ze standardem USB PD (patrz zastosowanie 1)
• Porty prądu stałego zgodne ze standardem USB PD (patrz zastosowanie 2)

Zastosowanie 1: zasilacze przełączające prądu zmiennego-stałego z wyjściem USB PD

W tym zastosowaniu kontroler USB PD FUSB15101 steruje quasi-rezonansowym (QR) regulatorem przełączającym typu flyback NCP1345Q02D1R2G po stronie pierwotnej zasilacza przełączającego prądu zmiennego-stałego za pośrednictwem sprzęgacza optycznego. Regulator NCP1345 działa przy napięciu od 9 do 38V z pomocniczego uzwojenia transformatora, a jednocześnie wykorzystuje drugie uzwojenie pomocnicze do wygenerowania napięcia czterokrotnie wyższego, aby zapewnić wystarczające napięcie przełączania dla tranzystora MOSFET przy niskich napięciach wyjściowych USB wynoszących 3,3V. Po stronie wtórnej procesem prostowania synchronicznego steruje kontroler NCP4307AASNT1G. Połączenie tych trzech układów scalonych pozwala uzyskać zasilacz nastawny o niezmiennej sprawności w okolicach 90% dla różnych profili zasilania urządzeń PD.

Ilustracja 3 przedstawia diagram obwodu głównego ładowarki sieciowej PPS USB-C PD 3.0 o mocy 65W (20V/3,25A) opartej na trzech układach scalonych.

Ilustracja 3: w tym rozwiązaniu dla ładowarek ściennych USB PD, kontroler FUSB15101 steruje regulatorem przełączającym typu flyback NCP1345 QR po stronie pierwotnej zasilacza przełączającego prądu zmiennego-stałego za pośrednictwem sprzęgacza optycznego. (Źródło ilustracji: onsemi)

Programiści uruchamiają własne zasilacze USB PD przy użyciu płytki ewaluacyjnej NCP1342PD65WGEVB firmy onsemi pokazanej na ilustracji 4.

Ilustracja 4: płytka ewaluacyjna do ładowarki ściennej USB-C PD 3.0 NCP1342PD65WGEVB pozwala programistom na natychmiastowe rozpoczęcie pracy. (Źródło ilustracji: onsemi)

Dławik akumulacyjny na tej płytce w postaci kompaktowego transformatora RM8 dostarcza 60W (20V/3A) mocy wyjściowej. Quasi-rezonansowy regulator przełączający typu flybackNCP1342BMDCDD1R2G działa przy napięciu od 9 do 28V pochodzącym z tylko jednego uzwojenia pomocniczego. Jest on odpowiedni do opracowywania wysokoparametrowych przetwornic mocy offline i adapterów USB PD, posiada funkcję szybkiego podcinania częstotliwości (RFF) w celu zwiększenia sprawności w całym zakresie obciążeń. Zintegrowany aktywny kondensator rozładowujący X2 eliminuje potrzebę stosowania rezystorów rozładowujących i zapewnia pobór mocy poniżej 40mW w stanie jałowym.

Zastosowanie 2: kontroler prądu stałego dla portu USB PD

W tym zastosowaniu kontroler USB PD FUSB15101 steruje kontrolerem czterostopniowej obniżająco-podwyższającej przetwornicy prądu stałego NCV81599MWTXG. Pozwala to na rozbudowę portu USB-C, który w przeciwnym razie jest ograniczony do 15W o funkcje źródła zasilania PD, które dostarcza więcej niż 60W i jest zasilane z wewnętrznego zasilacza prądu stałego lub baterii (ilustracja 5).

Ilustracja 5: w tym zastosowaniu kontrolera natężenia w porcie prądu stałego, urządzenie FUSB15101 steruje bezpośrednio kontrolerem czterostopniowej przetwornicy prądu stałego NCV81599. (Źródło ilustracji: onsemi)

Korzystając z urządzenia NCV81599, deweloperzy mogą zaoszczędzić czas i rozpocząć testowanie oraz programowanie płytki ewaluacyjnej FUSB3307MPX-PPS-GEVB. Ten obwód regulatora prądu stałego przekształca port USB w źródło prądowe PD 3.0 PPS, które dostarcza prąd o natężeniu do 5A przy napięciach magistrali od 3,3 do 21V (ilustracja 6). Obwód jest w stanie wykrywać kable E-Marker i może być używany samodzielnie lub podłączony do urządzeń pomiarowych.

Ilustracja 6: płytka ewaluacyjna FUSB3307MPX-PPS-GEVB dla kontrolera NCV81599, która zamienia porty USB w źródło zasilania PD 3.0 PPS. (Źródło ilustracji: onsemi)

Zasilacz prądu stałego lub bateria zasila wejście V_BAT płytki FUSB3307 napięciem od 4,5 do 32V. Obwód obsługuje regulację w trybie stałego napięcia (CV) lub stałego natężenia prądu (CC) i posiada zabezpieczenia przed nadmiernym napięciem, zbyt niskim napięciem, zwarciem, nadmierną temperaturą i usterkami kabla.

Programowanie urządzenia FUSB15101

Oprogramowanie układowe urządzenia FUSB15010 stanowi wysoce zoptymalizowany sterownik kontrolera Type-C PD, który obsługuje zintegrowany procesor Arm Cortex M0+. Oprogramowanie układowe zapewnia elastyczność obsługi nowych komunikatów PD, a także dodatkowych przepływów statusu Type-C. Kod jest zorganizowany w sposób modułowy, z oddzieleniem kodu źródłowego aplikacji, warstwy abstrakcji sprzętu, kodu zależnego od platformy i podstawowych funkcji USB Type-C PD.

Podstawowe funkcje PD można konfigurować za pomocą opcji budowania projektu lub modyfikując plik informacyjny dostawcy „vif_info.h”. Baza kodu zawiera przykładowy projekt Eclipse, który można skompilować za pomocą zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE), co pozwala na szybsze uruchomienie w celu ewaluacji autonomicznego kontrolera Type-C PD.

W tabeli 1 zestawiono profile PD obsługiwane przez urządzenie FUSB15101. PDO oznacza obiekt zasilania.

Tabela 1: profile PD obsługiwane przez urządzenie FUSB15101. (Źródło tabeli: onsemi)

Parametry profilu ładowania można bardzo łatwo modyfikować w pliku „vif_info.h”. Poniższy kod ilustruje sposób zmiany maksymalnego prądu w PDO 4 z 20V/3A na 20V/3,25A:

Bieżące wartości PDO:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3.00 A

Nowe wartości PDO:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3.25 A

Dalsze szczegóły i instrukcje dotyczące instalacji zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE), a także importowania oprogramowania układowego i kompilowania pliku binarnego można znaleźć w przewodniku urządzenia FUSB15101EVBSPG.

Instalację narzędzi programowania i procedurę dotyczącą pamięci programowanej jednorazowo opisano w podręczniku użytkownika UM70086-D. Odpowiednim adapterem do programowania i debugowania Arm Cortex-M ułatwiającym prace rozwojowe jest 8.08.91 J-LINK EDU MINI firmy Segger Microcontroller Systems.

Sprawdzanie komunikacji PD

Aby zweryfikować komunikację między dwoma urządzeniami USB PD, deweloperzy mogą użyć opracowanego przez firmę Infineon Technologies analizatora protokołów CY4500, obsługującego specyfikacje USB PD 3.0 oraz USB-C. Wykonuje on testy nieinwazyjne i rejestruje dokładne komunikaty protokołu na liniach CC. Powiązane oprogramowanie analityczne EZ-PD wyszczególnia wszystkie komunikaty dialogu między dwoma urządzeniami USB PD i kablem EMCA (ilustracja 7).

Ilustracja 7: oprogramowanie analityczne EZ-PD śledzi dialog pomiędzy dwoma urządzeniami USB PD po liniach CC. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies)

Podsumowanie

Chociaż zrozumienie podstaw protokołu USB PD jest ważne, aby dostosować projekty do rosnącego zapotrzebowania urządzeń użytkowników końcowych w zakresie mocy, jest to złożony protokół, który może wymagać szeroko zakrojonego programowania. Aby zaoszczędzić czas, deweloperzy mogą użyć wstępnie zaprogramowanych, wysoce zintegrowanych kontrolerów USB PD, aby zwiększyć moc 15W USB-C do ponad 100W. Ładowarki USB prądu zmiennego-stałego, a także porty USB prądu stałego można rozbudować o niestandardowe funkcje PD, po prostu konfigurując kontroler PD. Wykorzystanie płytek ewaluacyjnych i analizatora protokołu PD ułatwia proces rozwojowy.