Wykorzystanie kontrolera ładowania USB-C do błyskawicznego wdrożenia funkcji szybkiego ładowania bez oprogramowania układowego

Trend coraz większych wyświetlaczy, zwiększonej wydajności i wyższej przepustowości danych w smartfonach 5G powoduje konieczność stosowania baterii o większej pojemności i możliwości szybkiego ładowania. Wyzwaniem dla projektantów jest wyjście poza konwencjonalne metody ładowania charakteryzujące się nieefektywnością, która może skutkować przegrzaniem przy poziomach mocy wymaganych do spełnienia coraz wyższych oczekiwań konsumentów w zakresie szybkiego ładowania.

Wprowadzenie zasilaczy programowalnych (PPS) w standardzie USB Type-C® (USB-C) 3.0 PD pomaga zapewnić skuteczne rozwiązanie, ale konieczność opracowania oprogramowania układowego może nadal utrudniać wykonanie produktu.

W niniejszym artykule opisano problemy związane z telefonami 5G z funkcją szybkiego ładowania oraz sposób, w jaki zasilacze programowalne (PPS) PD 3.0 USB-C mogą pomóc projektantom efektywnie spełnić wymagania dotyczące coraz szybszego ładowania większych baterii. Następnie wprowadzono i przedstawiono, jak programiści mogą korzystać z wysoce zintegrowanego kontrolera USB-C firmy ON Semiconductor, który implementuje zasilacz programowalny (PPS) PD 3.0 USB-C w automacie skończonym (FSM). Eliminuje to potrzebę tworzenia oprogramowania układowego, przyspieszając tym samym wdrażanie funkcji szybkiego ładowania dla ładowarek nowej generacji.

Bardziej wydajne smartfony niosą ze sobą nowe wyzwania dla adapterów szybkiego ładowania

Według analityków rynkowych do 2023 roku smartfony 5G będą stanowić ponad 50% wszystkich dostarczanych smartfonów. Używając tych telefonów do korzystania z usług 5G, użytkownicy przekonają się jednak, że istniejąca baza ładowarek i stacji ładowania będzie słabo dopasowana do wymagań szybkiego ładowania nowej generacji smartfonów.

Jak już widzieliśmy w telefonach 5G, takich jak Samsung S20 Ultra 5G, te wyrafinowane urządzenia mają większe wyświetlacze, a także zwiększone możliwości przetwarzania i znacznie większą przepustowość danych w porównaniu do telefonów wcześniejszej generacji. Aby sprostać wymaganiom coraz większych wyświetlaczy i odpowiednio wyższego zużycia energii dostępnych telefonów 5G, telefony te wyposaża się w większe baterie. Na przykład Samsung S20 Ultra 5G ma wyświetlacz o przekątnej 6,9” i baterię o pojemności 5000mAh - o 25% większą niż poprzedni model.

Konsumenci oczekują, że bateria o większej pojemności będzie mieć też dłuższą żywotność, spodziewają się również, że czasy ładowania będą jeszcze krótsze - a nie o 25% dłuższe. Dla producentów, którzy chcą sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na stacje ładowania w pojazdach, domach i biurach, konieczność skrócenia czasu ładowania baterii o większej pojemności staje się poważnym wyzwaniem w obliczu ograniczeń tych urządzeń.

Producenci baterii litowo-jonowych (Li-ion) określają ścisłe wartości progowe prądu i napięcia ładowania. Konwencjonalna bateria litowo-jonowa o pojemności 1000mAh jest zwykle przystosowana do ładowania z prędkością 0,7C, czyli do prądu ładowania 700mA. W przypadku całkowicie rozładowanej baterii o pojemności 5000mAh przy szybkości ładowania 0,7C (czyli prądzie ładowania 3500mA) poziom naładowania w 50% byłby uzyskany po około 45 minutach.

Bardziej zaawansowane technologie ogniw akumulatorowych mogą obsługiwać szybkości ładowania większe niż 1C, ale zarówno ładowarka, jak i ładowane urządzenie muszą obsługiwać znacznie wyższe poziomy mocy. Na przykład naładowanie baterii o pojemności 5000mAh od 0% do 50% z wyższą szybkością 1,5C trwałoby tylko około 22 minut, ale prąd ładowania na poziomie 7,5A może obciążać komponenty i generować nadmierne obciążenie termiczne nawet w bardzo wydajnych systemach ładowania. W rzeczywistości, przy powszechnej akceptacji interfejsu USB-C jako branżowego standardu zasilania i innych funkcji, kompatybilna ładowarka miałaby ograniczony maksymalny prąd, jaki może dostarczyć przez kabel USB-C. Maksymalny prąd dla kabli USB-C z układem scalonym emarker, który dostarcza informacji o kablu do podłączonych urządzeń, wynosi 5A. (W przypadku kabli bez emarkera maksymalny prąd wynosi 3A).

Producenci urządzeń mobilnych mogą oczywiście obejść to ograniczenie, umieszczając między wejściem zasilania a obwodem ładowania baterii pompę ładunku. Na przykład, aby obsługiwać układ ładowania 7,5A, adapter podróżny może mieć napięcie wyjściowe 10V przy natężeniu prądu 4A, wykorzystując do uzyskania napięcia na wyjściu do obwodu ładowania 5V przy natężeniu prądu około 8A typową pompę ładunku z dzieleniem przez dwa. Dzięki takiemu podejściu w adapterze podróżnym napięcie USB-C (VBUS) można zwiększyć bez zmiany poziomu prądu zgodnego z USB-C.

Zwiększona moc ładowania wymaga skuteczniejszego sterowania

Obsługa poziomów VBUS wyższych od 5V umożliwiła zastosowanie wspomnianego rozwiązania z wysokim napięciem i niskim natężeniem prądu. Specyfikacja USB PD 2.0 definiuje szereg stałych obiektów zasilania (PDO), które określają kombinacje stałych poziomów napięcia (5, 9, 15 i 20V) i natężeń prądu (3 lub 5A).

Chociaż stałe obiekty PDO USB PD 2.0 pozwalają na wyższą moc ładowania, ustawienie napięcia i prądu ładowania na stałych poziomach, które są zbyt wysokie lub zbyt niskie, może spowodować nieefektywne ładowanie, niedopuszczalne obciążenia termiczne i obciążenie komponentów. W praktyce obwody ładowania działają z optymalną sprawnością, gdy ich napięcie wejściowe (dostarczane przez VBUS USB-C) jest nieco wyższe niż napięcie wyjściowe (napięcie baterii). Jednak ze względu na ciągłe zmiany napięcia baterii podczas normalnej pracy, utrzymanie tego punktu optymalnej sprawności ładowania stanowi wyzwanie. W miarę rozładowywania baterii różnica między jej napięciem a napięciem ładowania USB-C (VBUS) będzie się zwiększać, obniżając sprawność ładowania. I odwrotnie, gdy bateria zostanie naładowana, obwód ładowania będzie musiał zmniejszyć prąd ładowania, aby chronić baterię.

Bez możliwości bezpośredniego obniżenia poziomów ładowania zapewnianych przez adapter podróżny straty mocy wzrosną, a sprawność spadnie i generowane będzie ciepło. W rezultacie optymalny poziom ładowania nieustannie się zmienia, często przyrostowo, przez co osiągnięcie maksymalnej wydajności wymaga odpowiedniego przyrostowego poziomu sterowania napięciem i prądem ładowania.

Jak standard USB-C PD 3.0 PPS zwiększa sprawność

Standard USB-C PD 3.0 PPS zaprojektowany z myślą o rosnącej potrzebie ładowania o wyższej sprawności i wyższej mocy umożliwia ładowanemu urządzeniu (odbiornik) żądanie od ładowarki (źródła) zwiększenia lub zmniejszenia napięcia i prądu ładowania w krokach mV oraz mA zgłaszanych w rozszerzonych obiektach PDO. Korzystając z tej możliwości, odbiornik może dostrajać napięcie i prąd źródła, aby zoptymalizować sprawność ładowania.

Wprowadzenie zasilacza programowalnego (PPS) radykalnie zmienia przebieg procesu ładowania. W przeszłości ładowarka źródłowa zarówno wykonywała algorytm ładowania, jak i nim sterowała. W przypadku zasilacza programowalnego (PPS) sterowanie algorytmem ładowania przenosi się do odbiornika, wymagając od źródła wykonania algorytmu zgodnie z poleceniami odbiornika.

Dzięki zasilaczowi programowalnemu (PPS) smartfon lub inny odbiornik komunikuje się ze źródłem ładowania, aby zoptymalizować dostarczaną energię, realizując „kontrakt” na zasilanie wspólnie uzgodniony poprzez protokół negocjacyjny obejmujący krótką komunikację przebiegającą w następujący sposób:

1. Źródło sprawdza, czy kabel połączeniowy jest przystosowany do natężenia prądu 5A
2. Źródło zgłasza swoje parametry napięciowe i prądowe opisane w siedmiu obiektach PDO
3. Odbiornik żąda jednego ze zgłoszonych obiektów PDO
4. Źródło akceptuje żądanie obiektu PDO
5. Źródło dostarcza moc na uzgodnionym poziomie napięcia i natężenia prądu

Zaawansowane urządzenia mobilne, takie jak wspomniany wcześniej telefon Samsung 5G, wykorzystują tę możliwość do szybkiego ładowania przy użyciu kompatybilnych ładowarek. W przypadku producentów, którzy projektują adaptery podróżne do szybkiego ładowania i wbudowują stacje ładowania do innych produktów, wdrożenie tego typu protokołu ładowania zazwyczaj wymagałoby opracowania oprogramowania układowego dla kontrolera zdolnego do wykonania protokołu i obsługi powiązanych urządzeń zasilających. Jednak w przypadku dobrze ugruntowanego standardu, takiego jak USB-C PD PPS, rozwiązanie z automatem skończonym stanowi skuteczną alternatywę i eliminuje potrzebę tworzenia oprogramowania sprzętowego, co mogłoby opóźniać realizację produktu końcowego. Użycie kontrolera ładowania ze źródłem adaptacyjnym FUSB3307 firmy ON Semiconductor stanowiącego implementację automatu skończonego USB-C PD 3.0 zawierającą zasilacz programowalny (PPS) przyspiesza proces opracowywania ładowarek, które są w stanie sprostać wymaganiom szybkiego ładowania smartfonów nowej generacji i innych urządzeń mobilnych z bateriami o dużej pojemności.

Zintegrowany kontroler do szybkich ładowarek zgodnych ze standardem USB-C PD 3.0

Układ FUSB3307 firmy ON Semiconductor jest kontrolerem ze zintegrowanym źródłem zasilania, który umożliwia implementację zasilacza programowalnego USB-C PD 3.0 bez konieczności stosowania zewnętrznego procesora. Obok funkcji takich jak detekcja kabla, sterownik bramki obciążenia, wielu funkcji zabezpieczających oraz funkcji regulacji stałego napięcia (CV) i stałego prądu (CC), urządzenie to integruje w sobie kompletny menedżer zasad urządzenia zasilanego PD 3.0, silnik zasad, protokół i warstwy fizyczne (PHY).

Zaprojektowany do obsługi zarówno ładowarek prądu zmiennego-stałego, jak i prądu stałego układ FUSB3307 może zapewnić pełny zestaw odpowiedzi właściwych dla źródła zasilania PD. W rezultacie projektanci mogą wdrożyć źródło zasilania zgodne ze standardem USB-C PD 3.0 stosując układ FUSB3307 i stosunkowo niewielką liczbą dodatkowych urządzeń i komponentów.

Układ FUSB3307 po podłączeniu do odbiornika automatycznie wykrywa parametry znamionowe tego odbiornika i kabla połączeniowego oraz ogłasza je zgodnie ze specyfikacją USB-C. Gdy odbiornik odpowie wyborem obsługiwanego obiektu PDO, układ FUSB3307 włączy VBUS i zacznie sterować obwodami mocy, dbając o to, aby do odbiornika dostarczany był prąd o żądanym napięciu ładowania i natężeniu.

Ponieważ układ FUSB3307 integruje pełny zestaw funkcji sterowania, podstawowe zasady działania pozostają koncepcyjnie takie same dla konstrukcji ładowarki prądu zmiennego-stałego i prądu stałego. W odpowiedzi na polecenia z odbiornika układ FUSB3307 w źródle wykorzystuje swój wtyk wyjściowy CATH do kierowania sygnału sterującego sprzężeniem zwrotnym do stopnia mocy źródła. Podczas operacji ładowania układ FUSB3307 monitoruje napięcie ładowania za pomocą wtyku VFB oraz prąd ładowania wykryty na rezystorze pomiarowym za pomocą wtyków IS+/IS-. Te monitorowane poziomy są podawane z kolei do wewnętrznych obwodów błędów pętli napięcia i prądu, powiązanych z wtykami napięcia (VFB) i prądu (IFB). Te sygnały z kolei służą do sterowania wtykiem CATH do sterowania CV i CC. Inne wtyki 14-wtykowej obudowy SOIC układu FUSB3307 obsługują sterownik bramki obciążenia, interfejs złącza USB-C i funkcje zabezpieczające.

Kontroler źródła FUSB3307 upraszcza konstrukcję ładowarki

Konstrukcje dla każdego typu ładowarki będą oczywiście wykorzystywać inne konfiguracje dla głównego wyjścia CATH, wejścia VFB i innych wtyków. W ładowarce ściennej prądu zmiennego-stałego lub adapterze prądu stałego układ FUSB3307 monitorowałby napięcie i prąd po stronie wtórnej oraz sprzężenie zwrotne sterowania napędem po stronie pierwotnej (ilustracja 1).

Ilustracja 1: w konstrukcji prądu stałego-prądu zmiennego dla ładowarki ściennej lub adaptera układ FUSB3307 reaguje na polecenia z odbiornika dla różnych napięć ładowania, sterując kontrolerem PWM za pomocą izolującego sprzęgacza optycznego. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

W takim układzie ładowania wtyk wyjściowy CATH układu FUSB3307 zwykle łączy się z katodą sprzęgacza optycznego po stronie wtórnej, aby dostarczyć sygnał sterujący sprzężeniem zwrotnym do kontrolera PWM po stronie pierwotnej, np. NCP1568 firmy ON Semiconductor. Po stronie wtórnej wejścia układu FUSB3307 do wykrywania napięcia i prądu monitorowałyby wyjście z synchronicznego kontrolera prostownika, np. NCP4308 firmy ON Semiconductor.

W konstrukcji ładowarki prądu stałego używanej na przykład w zastosowaniach motoryzacyjnych układ FUSB3307 steruje kontrolerem prądu stałego bezpośrednio. Tutaj sygnał sprzężenia zwrotnego CATH układu FUSB3307 jest podłączony do wtyku kompensacyjnego (COMP) kontrolera prądu stałego, np. NCV81599 firmy ON Semiconductor (ilustracja 2).

Ilustracja 2: w konstrukcji ładowarki samochodowej prądu stałego układ FUSB3307 steruje napięciem wyjściowym kontrolera prądu stałego bezpośrednio, podnosząc lub obniżając moc wyjściową zgodnie z poleceniem odbiornika, takiego jak telefon 5G lub inne urządzenia mobilne. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Firma ON Semiconductor implementuje ten specyficzny projekt ładowarki prądu stałego w swojej płytce ewaluacyjnej FUSB3307MX-PPS-GEVB dla układu FUSB3307. Ta zaprojektowana do pracy z pojedynczym zasilaniem prądu stałego płytka stanowi kompletne źródło ładowania zgodne ze standardem USB PD 3.0 z zasilaczem programowanym (PPS), dostarczające prąd o natężeniu 5A (maks.) przy poziomach VBUS standardu od minimalnego 3,3V do maksymalnego 21V.

Płytka ewaluacyjna umożliwia programistom badanie interakcji układu FUSB3307 z urządzeniami zgodnymi ze standardem USB PD 3.0, a także starszymi urządzeniami USB PD 2.0. Programiści mogą natychmiast rozpocząć badanie procesu szybkiego ładowania, monitorując napięcie i prąd VBUS dostarczane przez płytkę do urządzenia obsługującego standard USB-C PD, takiego jak laptop czy smartfon.

Podejście to zapewnia szczególny wgląd w możliwość interakcji układu FUSB3307 z telefonem obsługującym standard USB PD 3.0 5G, a także wykorzystanie przez telefon protokołu USB PD 3.0 PPS do optymalizacji napięcia i prądu ładowania. W jednej demonstracji tej możliwości ^[1] standardowy Samsung S20 Ultra 5G przekazuje serię poleceń do płytki ewaluacyjnej FUSB3307MX-PPS-GEVB, aby zmodyfikować napięcie i prąd ładowania zarówno w dużych, jak i małych krokach (ilustracja 3).

Ilustracja 3: płytka ewaluacyjna FUSB3307MX-PPS-GEVB firmy ON Semiconductor demonstruje zdolność układu FUSB3307 do reagowania na polecenia standardowego telefonu 5G w celu dostrojenia napięcia i prądu ładowania. (Źródło ilustracji: ON Semiconductor)

Po połączeniu płytki i telefonu w tej demonstracji telefon 5G wybiera podstawowy obiekt PDO (5V i maks. 5A), co pokazuje pierwszych 10 sekund wykresu z ilustracji. W tej fazie napięcie ładowania (VBUS) wynosi 5V, a telefon 5G pobiera około 2A prądu ładowania (IBUS). Telefon 5G żąda następnie rozszerzonego obiektu PDO, który deklaruje zdolność źródła do dostarczania napięcia 8V przy natężeniu prądu 4A. Układ FUSB3307 realizuje żądanie i zmiana jest natychmiastowa: VBUS skacze do napięcia 8V zgodnie z żądaniem, a IBUS pokazuje stopniowy wzrost, ponieważ telefon 5G wykazuje stopniowo zwiększany poziom prądu IBUS.

Po tym gwałtownym skoku VBUS stopniowy wzrost mocy ładowania możliwy dzięki zasilaczowi programowalnemu (PPS) stał się ewidentny. Telefon 5G żąda stopniowego zwiększenia napięcia VBUS do jeszcze wyższych poziomów o 40mV co około 210ms. Gdy IBUS osiągnie wartość 4A (przerywana zielona linia na ilustracji), układ FUSB3307 używa standardowego protokołu zasilania programowanego do wysłania komunikatu ostrzegawczego powiadamiającego telefon 5G o osiągnięciu żądanego limitu natężenia prądu. Telefon 5G nadal wysyła żądania dalszego zwiększania wartości VBUS co 40mV aż do uzyskania 9,8V. W codziennym użytkowaniu tego rodzaju adaptacyjne możliwości źródła mogą pomóc uzyskać maksymalną sprawność ładowania wymaganą do szybkiego ładowania bez przegrzewania odbiornika lub narażania go na uszkodzenie w inny sposób.

Korzystając z płytki ewaluacyjnej FUSB3307MX-PPS-GEVB firmy ON Semiconductor programiści mogą bezzwłocznie zbadać zastosowanie standardu USB-C PD w istniejących urządzeniach i rozszerzyć konstrukcję referencyjną płytki, aby zaimplementować niedostępną w standardzie opcję szybkiego ładowania w urządzeniach zgodnych z USB PD 3.0. Co najważniejsze, takie wdrożenie nie wymaga tworzenia oprogramowania układowego. Dzięki układowi FUSB3307 programiści używają znanych technik zasilania do tworzenia adapterów zdolnych w pełni wykorzystać możliwości szybkiego ładowania telefonów 5G nowej generacji i innych kompatybilnych urządzeń.

Podsumowanie

Podczas gdy telefony 5G zapewniają użytkownikom bogactwo nowych funkcji i możliwości, baterie o większej pojemności potrzebne do obsługi tych urządzeń stanowią również wyzwanie dla projektantów. W szczególności projektanci muszą zadbać o to, aby adaptery podróżne i stacje ładowania pozwalały na szybkie ładowanie bez przegrzewania telefonu.

Dzięki w pełni zgodnym funkcjom PPS USB PD 3.0 - i bez konieczności opracowywania oprogramowania układowego - adaptacyjny kontroler ładowania FUSB3307 firmy ON Semiconductor oferuje natychmiastowe rozwiązanie projektowe. Używając tego kontrolera w połączeniu ze znanymi urządzeniami i komponentami zasilającymi, programiści mogą szybko wdrożyć adaptery zdolne do obsługi szybko rozwijającej się bazy telefonów 5G obsługujących standard USB PD 3.0, i innych urządzeń mobilnych.

Źródła

1. Koordynacja standardu 5G, szybkiego ładowania i zasilania programowalnego przez USB-C