Zastosowanie zintegrowanych ładowarek obniżająco-podwyższających do szybszego ładowania USB i mniejszych, uniwersalnych rozwiązań ładujących

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 pod nieustanną presją 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.

Zasilanie OTG i funkcja FRS

Aby zapewnić zasilanie mobilne (OTG), przetwornica prądu stałego (U3) na ilustracji 1 służy do rozładowywania baterii, podając regulowane napięcie na VBUS do zasilania urządzeń zewnętrznych, gdy zasilacz jest odłączony, zgodnie ze specyfikacją USB OTG. Jeśli wymagana jest również funkcja szybkiej zamiany ról (FRS), przetwornica prądu stałego musi być włączona i utrzymywana w trybie pogotowia w sposób ciągły, nawet jeśli do VBUS przez port USB typu C podłączony jest zasilacz. Jeśli zasilacz jest odłączony, tranzystory mocy MOSFET podłączone symetrycznie do przetwornicy prądu stałego włączają się i podłączają wyjście przetwornicy do podtrzymania VBUS i włączenia FRS. Wadą tego podejścia jest to, że utrzymywanie przetwornicy prądu stałego w stanie pogotowia zwiększa straty prądu spoczynkowego w systemie.

Zintegrowana ładowarka obniżająco-podwyższająca dla 1 do 4 ogniw z funkcjami USB OTG i FRS

Jak widać, zaprojektowanie uniwersalnego rozwiązania ładującego USB PD, obsługującego funkcje OTG i FRS może być skomplikowanym zadaniem. W przypadku zastosowań wykorzystujących od jednego do czterech ogniw litowo-jonowych (Li-ion) lub litowo-polimerowych (Li-poly) firma Texas Instruments oferuje projektantom w pełni zintegrowaną ładowarkę obniżająco-podwyższającą BQ25792RQMR, która obsługuje pełne zakresy napięć wejściowych i wyjściowych OTG dla USB Type-C i USB PD, znacznie upraszczając projekt kompletnego rozwiązania do ładowania USB PD, w tym obsługę funkcji FRS (ilustracja 2). Opcjonalny dwuwejściowy kontroler multipleksera zasilania może zapewnić obsługę dwóch różnych wejściowych źródeł zasilania; złącze USB Type-C na VIN1 oraz pomocnicze źródło zasilania na VIN2.

Ilustracja 2: w pełni zintegrowana ładowarka obniżająco-podwyższająca BQ25792 ułatwia projektowanie kompletnego rozwiązania do ładowania USB PD. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

BQ25792 obsługuje szeroki zakres wejść, w tym:

• zakres napięć wejściowych od 3,6 do 24V;
• wykrywanie zasilaczy USB BC1.2, SDP, CDP, DCP, HVDCP i zasilaczy niestandardowych;
• wykrywanie punktu mocy maksymalnej nieznanych źródeł wejściowych.

Urządzenie BQ25792 zawiera zintegrowany pomiar prądu wejściowego, który umożliwia ładowarce regulację prądu wejściowego i zapewnia ochronę przed przetężeniem na wejściu, aby zapobiec przeciążeniu zasilacza. Ponadto, obwody sterujące i sterownik zewnętrznych, połączonych symetrycznie tranzystorów mocy MOSFET są zintegrowane jako część wejściowego obwodu zabezpieczającego przed przepięciami i przetężeniami, zastępując funkcje zarządzania ścieżką mocy wejściowej i jednostki pomiaru prądu (U1) na ilustracji 1.

Integracja czterech tranzystorów MOSFET, które znajdują się w module ładowarki obniżająco-podwyższającej (U2) na ilustracji 1, umożliwia ładowarce BQ25792 obsługę ładowania OTG. Ładowarka działa w standardowym trybie ładowania, gdy obecny jest zasilacz. Jeśli jest on odłączony, przepływ zasilania jest odwrócony, z baterii do VBUS. Układ BQ25792 jest zgodny z pełną specyfikacją zakresu napięcia USB PD 3.0, od 2,8 do 22V, programowanego w krokach co 10mV.

Nowatorska metoda obsługi funkcji FRS

Wsparcie dla funkcji szybkiej zamiany ról (FRS) na porcie USB Type-C jest realizowane przez funkcję zwaną trybem rezerwowym, która eliminuje konieczność stosowania przetwornicy prądu stałego (U3) z ilustracji 1. BQ25792 obsługuje błyskawiczne przełączanie sekcji ładowarki obniżająco-podwyższającej z trybu ładowania do trybu odwrotnego OTG bez spadku napięcia magistrali poza specyfikację.

W normalnych warunkach pracy zasilacz łączy się z urządzeniem BQ25792 przez port VIN1, ładując baterię i dostarczając jednocześnie zasilanie do systemu i wszelkich zasilanych akcesoriów przez wyjście PMID. Jeśli zasilacz zostanie odłączony, bateria może nadal dostarczać zasilanie do systemu, ale akcesoria podłączone do wtyku PMID mogą stracić zasilanie.

W trybie rezerwowym ładowarka stale monitoruje napięcie VBUS. Gdy napięcie VBUS spadnie poniżej poziomu progowego (wskazującego na utratę wejścia z zasilacza), ładowarka szybko przechodzi z trybu ładowania do trybu OTG, rozładowując baterię, regulując napięcie VBUS i realizując funkcję FRS, bez potrzeby stosowania dodatkowej przetwornicy prądu stałego. Zaimplementowanie funkcji FRS z trybem rezerwowym zasilania w BQ25792 zapewnia, że wszelkie akcesoria podłączone do wtyku PMID nie stracą zasilania, gdy napięcie VBUS spadnie (ilustracja 3).

Ilustracja 3: zaimplementowanie funkcji FRS z trybem rezerwowym zasilania w BQ25792 zapewnia, że wszelkie akcesoria podłączone do wtyku PMID nie stracą zasilania, gdy napięcie VBUS spadnie. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Układ BQ25792 oferuje możliwość wyboru częstotliwości przełączania 1,5MHz lub 750kHz, co pozwala projektantom na kompromis pomiędzy rozmiarami rozwiązania a jego sprawnością w zależności od potrzeb danego zastosowania. Wykorzystanie częstotliwości przełączania 1,5MHz pozwala na użycie niskich wartości cewek (1µH) i kondensatorów. Zastosowanie częstotliwości przełączania 750kHz pozwala osiągnąć wyższą sprawność, ale skutkuje większymi rozmiarami rozwiązania ze względu na większą cewkę indukcyjną (2,2µH) i kondensatory.

Aby wydłużyć czas pracy baterii i zminimalizować straty mocy, system jest wyłączony w stanie bezczynności, podczas transportu lub przechowywania. W „trybie wysyłkowym” układ I2C jest nadal włączony, ale zegar systemowy ładowarki zwalnia, aby zminimalizować prąd spoczynkowy urządzenia. W normalnych warunkach pracy, przy zasilaniu wyłącznie z baterii, prąd spoczynkowy wynosi 21µA. W „trybie wysyłkowym” prąd spoczynkowy spada do 600nA.

Aby ułatwić projektantom rozpoczęcie pracy z układem BQ25792, firma Texas Instruments oferuje płytkę ewaluacyjną (EVB) BQ25792EVM umożliwiającą wdrożenie synchronicznej, szybkiej ładowarki obniżająco-podwyższającej, dostarczającej do 5A prądu ładowania z rozdzielczością 10mA dla 1 do 4 ogniw (ilustracja 4). Płytka ewaluacyjna (EVB) zawiera interfejs do przełączania trybów pomiędzy ładowaniem a USB OTG. Ponadto, użytkownicy mogą monitorować stan ładowarki, napięcia i prądy oraz wszelkie usterki za pomocą zintegrowanego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).

Ilustracja 4: płytki ewaluacyjnej BQ25792EVM można użyć do wdrożenia synchronicznej ładowarki obniżająco-podwyższającej dostarczającej do 5A prądu ładowania. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Dodatkowe cechy omawianej płytki ewaluacyjnej:

• automatyczne wykrywanie USB, wejście USB PD i bezprzewodowe, obsługa wejść od 3,6 do 24V;
• podwójny selektor źródła prądu wejściowego do wysterowania dwukierunkowych blokujących tranzystorów NFET;
• zasilanie USB OTG z wyjściem od 2,8 do 22V i rozdzielczością 10mV;
• prąd spoczynkowy poniżej 1µA w trybie wyłączenia lub wysyłki;
• liczne punkty pomiarowe, mostki i rezystory pomiarowe do obsługi pomiarów napięcia i prądu.

Podsumowanie

Zaprojektowanie uniwersalnego rozwiązania do ładowania USB PD może być skomplikowanym zadaniem, a zaprojektowanie ładowarek obsługujących specyfikację USB OTG może zająć bardzo dużo czasu. Proces projektowania może być dodatkowo skomplikowany przez konieczność przestrzegania kryteriów czasu i sterowania związanych z funkcją FRS. Skutkiem mogą być dodatkowe koszty i niedotrzymane harmonogramy projektowania.

Aby tego uniknąć, dostępne są zintegrowane ładowarki obniżająco-podwyższające, które spełniają wymagania projektantów urządzeń przenośnych w zakresie ładowania USB PD, OTG, zgodności z kryteriami czasowymi i sterowania funkcji USB FRS oraz skrócenia czasu ładowania baterii litowych, zmniejszenia rozmiarów, zwiększenia gęstości mocy, obniżenia kosztów i skrócenia czasu wprowadzenia produktu na rynek.

Rekomendowane artykuły

1. USB Type-C™, USB PD i USB 3.1 Gen 2: nowe standardy szybkości i mocy