Sådan øger du hurtigt strømoverførslen fra USB-C-enheder til 100 W med minimal programmering

Efterhånden som Universal Serial Bus Type-C-porte (USB-C) bliver mere almindelige, er mange brugere afhængige af, at de leverer stadig højere niveauer af elektrisk strøm til en lang række tilsluttede enheder. Men USB-C-specifikationen begrænser basisstrømforsyningen til en "kun Type-C"-enhed til maksimalt 15 watt (5 volt, 3 ampere (A)).

For at overvinde denne begrænsning kan designere tilføje USB strømforsyning (Power Delivery eller PD) og skabe en Type-C PD-enhed, der kan levere op til 100 watt (20 volt, 5 A) i standard effektområde (SPR). I stedet for møjsommeligt at programmere den omfattende USB PD-protokol kan udviklere nu nemt konfigurere en standard PD-controller og tilføje brugerdefineret og optimeret PD-funktionalitet til AC/DC-opladere og strømstyrede USB-porte.

Denne artikel giver et overblik over de centrale krav til PD-systemer. Derefter introduceres FUSB15101MNTWG PD-controlleren fra onsemi, og det vises, hvordan man hurtigt kommer i gang med at konfigurere den forprogrammerede controller-firmware ved hjælp af evalueringskort, udviklingssoftware, programmerings-/debug-adaptere og en PD-protokolanalysator.

Koblingsomformer med protokolstyret effektregulering

Der var engang, hvor analoge vægopladere til batteridrevne apparater kun bestod af to komponenter: en transformer og en ensretter. Nu har behovet for højere effektivitet, større fleksibilitet og løbende miniaturisering tilsammen gjort det til en kompleks opgave at forsyne selv simple elektroniske enheder med strøm. Nutidens mikrocontroller-baserede switching-konvertere skal nu dynamisk forhandle deres udgangseffekt med tilsluttede intelligente belastninger via en kompleks protokol.

USB PD er en af disse protokoller. I version 3.1 koordinerer den op til 240 watt elektrisk strøm via et intelligent USB Type-C Electronically Marked Cable Assembly (EMCA) forbindelseskabel, samtidig med at den bevarer bagudkompatibiliteten med ældre USB-standarder. Men styringen af den dynamiske PD-strømoverførsel via det 24-polede USB-C-stik går langt videre end de statiske kontrolspændinger på datalinjerne i det klassiske fire-tråds USB-interface.

En USB PD-enhed kan fungere som en downstreamvendt port (DFP) strømkilde, som en upstreamvendt port (UFP) strømforbruger (eller "sink") eller i en dual role port (DRP)-tilstand. En PD-kildeenhed kobler internt pull-up-modstande til to kontrollinjer (CC1 og CC2); en PD-sink-enhed identificerer sig selv via interne pull-down-modstande.

De to CC-linjer bruges samtidig til at sende PD-meddelelser på op til 356 bits ved en clockfrekvens på 300 kilohertz (kHz) (figur 1). Korte kontrolmeddelelser koordinerer meddelelsesflowet mellem to portpartnere, mens længere datameddelelser bruges til at forhandle strøm og styre den indbyggede selvtest (BIST) eller overføre OEM-specifikt indhold.

Figur 1: PD-meddelelsesstrukturen kan dynamisk blive op til 356 bit lang. (Billedkilde: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Strømforhandling mellem PD-enheder

USB PD 3.0 SPR definerer flere faste spændingsniveauer mellem 5 og 20 volt og understøtter kun statiske strømprofiler på op til 100 watt. Ved hjælp af PPS-udvidelsen (Programmable Power Supply) kan en USB-sink-enhed i realtid anmode om en spænding fra USB-strømkilden på mellem 3 og 21 volt i intervaller på 20 millivolt (mV), alt efter dens behov.

PPS'en forenkler dermed switching-konverterelektronikken i den mobile enhed, reducerer varmeafgivelsen og fremskynder opladningen ved at optimere effekttilpasningen. USB PD 3.1 definerer et udvidet effektområde (EPR) op til maksimalt 240 watt og bruger en justerbar spændingsforsyning (AVS) til at regulere busspændingen i et højere område mellem 15 og 48 volt.

Da 3 A allerede overskrider almindelige USB-kablers strømkapacitet, foreskriver USB Implementers Forum (USB-IF), at der skal bruges specielle EMCA-kabler. Disse har tykkere ledningstværsnit og kabelisolering. E-Marker-chips i kabelstikkene bekræfter disse forstærkede kabelfunktioner ved hjælp af PD-protokollen. På den måde påvirker de strømforhandlingen mellem kilde- og synkeenheden.

PD-kommunikation bruger særlige K-koder til at afgrænse meddelelser. Den særlige K-kode-sekvens, der angiver starten på en sekvens, kaldes Start Of Packet (SOP). Der er defineret tre sekvenser: SOP, SOP' og SOP'', så en DFP (en strømkilde som f.eks. en PD-netværksoplader) kan kommunikere som initiator med en af de to E-Marker-chips i EMCA-kabelforbindelserne samt med UFP (USB-strømforsyningen).

Flowdiagrammet i figur 2 viser udvekslingen af meddelelser under en vellykket strømforhandling mellem to PD-enheder, der er forbundet via et EMCA-kabel.

Figur 2: Her ses den vellykkede strømforhandling mellem to USB PD-enheder via et EMCA-kabel. Bemærk: Rqt = Request; Ack = Acknowledge. (Billedkilde: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Konfigurer i stedet for at programmere

PD-protokollens kompleksitet betyder en omhyggelig programmeringsøvelse for udvikleren. En hurtigere tilgang er i stedet at konfigurere en forprogrammeret USB PD-controller med brugerdefinerede funktioner. Et eksempel på en controller er onsemis FUSB15101MNTWG. Dette er en meget integreret USB PD 3.1-controller, som kan styre en AC/DC-adapters switching-regulator på primærsiden via en optokobler eller direkte styre en DC/DC-portstrømregulator.

Denne alt-i-én-løsning minimerer kredsløbets kompleksitet ved hjælp af optimerede perifere hardwareenheder, herunder digital-til-analog- og analog-til-digital-konvertere, NTC-temperaturføler og NMOS-gatedrivere. Open source-firmware med en programmeringsgrænseflade (API) og det Eclipse-baserede integrerede udviklingsmiljø (IDE) letter programmeringen.

FUSB15101 integrerer en højeffektiv Arm® Cortex® M0+-processor med en UART-interface og understøtter PPS-specifikationen, der regulerer udgangsspændingen fra 3,3 til 21 volt. Den tilbyder programmerbar regulering af konstant spænding (CV) og konstant strøm (CC) og kompenserer for kabeltab. Der er også overspændings-, underspændings-, overstrøms- og overtemperaturbeskyttelsesfunktioner samt overspændingsbeskyttelsesdioder på USB-C-stikbenene. PD-controlleren understøtter V_CONN-strøm til E-Marker-chips i EMCA-kabler, mens dens tomgangs- og dvaletilstand opfylder kravene i Certificate of Conformity (CoC) og Design of Experiments (DOE).

Typiske anvendelser omfatter:

• USB PD-kompatibel AC/DC-adapter (se applikation 1)
• USB PD-kompatible DC/DC-porte (se applikation 2)

Applikation 1: AC/DC switching-strømforsyning med USB PD-udgang

I denne applikation styrer FUSB15101 USB PD-controlleren NCP1345Q02D1R2G quasi-resonant (QR) flyback switching-regulatoren på primærsiden af en AC/DC switching-strømforsyning via en optokobler. NCP1345 arbejder med 9 til 38 volt fra en hjælpevikling på transformatoren, mens den bruger en anden hjælpevikling til at generere en spænding, der er fire gange højere for at give nok koblingsspænding til en MOSFET ved lave USB-udgangsspændinger på 3,3 volt. På sekundærsiden styrer NCP4307AASNT1G-controlleren den synkrone ensretning. Kombinationen af de tre IC'er resulterer i en strømforsyning til gearskift, der konsekvent opnår en effektivitet på omkring 90 % på tværs af de forskellige PD-effektprofiler.

Figur 3 viser hovedkredsløbsdiagrammet for en USB-C PD 3.0 PPS-netoplader baseret på de tre IC'er, der leverer 65 watt (20 volt/3,25 A).

Figur 3: I denne løsning til USB PD-vægopladere styrer FUSB15101 NCP1345 QR flyback switching-regulatoren på den primære side af AC/DC switching-strømforsyningen via en optokobler. (Billedkilde: onsemi)

Programmører starter deres egen USB PD-strømforsyningsapplikation ved at bruge onsemis NCP1342PD65WGEVB-evalueringskort, vist i figur 4.

Figur 4: Med NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0 vægoplader-evalueringskortet kan programmører komme i gang med det samme. (Billedkilde: onsemi)

Lagringsdrosselen på dette kort, i form af en kompakt RM8-transformer, giver 60 watt (20 volt/3 A) udgangseffekt. NCP1342BMDCDD1R2G quasi-resonant flyback switching regulator fungerer med 9 til 28 volt fra kun én hjælpevikling. Den er velegnet til udvikling af højtydende offline strømkonvertere og USB PD-adaptere og har hurtig frekvensfoldning (RFF) for forbedret effektivitet i hele belastningsområdet. En integreret aktiv X2-afladningskondensator eliminerer behovet for afladningsmodstande og muliggør et strømforbrug på under 40 milliwatt (mW) uden belastning.

Applikation 2: DC/DC-strømstyring til en USB PD-port

I denne applikation driver FUSB15101 USB PD-controlleren NCV81599MWTXG fire-trins buck/boost, step-up/down DC/DC-konvertercontrolleren. Dermed kan en USB-C-port, der ellers er begrænset til 15 watt, udvides til en PD-strømkilde, der yder mere end 60 watt og forsynes af enhedens interne jævnstrømsforsyning eller et batteri (figur 5).

Figur 5: I denne DC/DC-port strømstyringsapplikation styrer FUSB15101 den firetrins DC/DC-konvertercontroller NCV81599 direkte. (Billedkilde: onsemi)

Udviklere kan spare tid og gå i gang med at teste og programmere NCV81599 med det samme ved at bruge FUSB3307MPX-PPS-GEVB-evalueringskortet. Dette DC/DC-strømregulatorkredsløb omdanner en USB-port til en PD 3.0 PPS-strømkilde, som leverer op til 5 A ved busspændinger fra 3,3 til 21 volt (figur 6). Kredsløbet er i stand til at detektere E-Marker-kabler og kan betjenes selvstændigt eller tilsluttes testudstyr.

Figur 6: FUSB3307MPX-PPS-GEVB er et evalueringskort til NCV81599, som forvandler USB-porte til en PD 3.0 PPS-strømkilde. (Billedkilde: onsemi)

En jævnstrømsforsyning eller et batteri forsyner V_BAT-indgangen på FUSB3307-kortet med 4,5 til 32 volt. Kredsløbet håndterer regulering af konstant spænding (CV) eller konstant strøm (CC) og har beskyttelse mod overspænding, underspænding, kortslutning, overtemperatur og kabelfejl.

Programmering af FUSB15101

FUSB15010-firmwaren er en stærkt optimeret Type-C PD-controller-driver, der understøtter den integrerede Arm Cortex M0+-processor. Firmwaren har fleksibiliteten til at håndtere nye PD-meddelelser samt yderligere Type-C-statusflows. Koden er organiseret på en modulær måde, der adskiller applikationens kildekode, hardwareabstraktionslag, platformsafhængig kode og USB Type-C PD-kernefunktioner.

PD-kernefunktionerne kan konfigureres via projektets build-indstillinger eller ved at ændre vendor info-filen "vif_info.h". Kodebasen indeholder et Eclipse-eksempelprojekt, der kan kompileres ved hjælp af IDE, hvilket giver hurtigere opstart til evaluering af Type-C PD standalone-controlleren.

Tabel 1 opsummerer de PD-profiler, der understøttes af FUSB15101; PDO er strømforsyningsobjektet.

Tabel 1: Her vises de PD-profiler, der understøttes af FUSB15101. (Kilde til tabel: onsemi)

Som nævnt kan parametrene for en opladningsprofil meget nemt ændres i filen "vif_info.h". Følgende kode viser, hvordan man ændrer den maksimale strøm i PDO 4 fra 20 volt/3 A til 20 volt/3,25 A:

Aktuelle PDO-værdier:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3,00 A

Nye PDO-værdier:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3,25 A

Yderligere detaljer og instruktioner til installation af IDE, samt firmwareimport og kompilering af den binære fil, kan findes i FUSB15101EVBSPG-guiden.

Installationen af programmeringsværktøjerne og proceduren for engangsflash er beskrevet i brugervejledningen til UM70086-D. En passende Arm Cortex-M programmerings- og debug-adapter til at lette udviklingen er 8.08.91 J-LINK EDU MINI fra Segger Microcontroller Systems.

Kontrol af PD-kommunikation

For at verificere kommunikationen mellem to USB PD-enheder kan udviklere bruge Infineon Technologies' CY4500-protokolanalysator, som understøtter USB PD 3.0- og USB-C-specifikationerne. Den udfører ikke-indgribende test og optager nøjagtige protokolmeddelelser på CC-linjerne. Den tilhørende EZ-PD-analysesoftware viser alle meddelelser i en dialog mellem to USB PD-enheder og et EMCA-kabel i detaljer (figur 7).

Figur 7: EZ-PD-analysesoftwaren sporer dialogen mellem to USB PD-enheder over CC-linjerne. (Billedkilde: Infineon Technologies)

Konklusion

Selvom det er vigtigt at forstå det grundlæggende i USB PD-protokollen for at kunne tilpasse design til slutbrugerenhedernes stigende strømbehov, er det en kompleks protokol, der kan kræve omfattende programmering. For at spare tid kan udviklere bruge forprogrammerede, højt integrerede USB PD-controllere til at booste 15 watt USB-C-strøm til over 100 watt. AC/DC-USB-opladere såvel som DC/DC-USB-porte kan udvides med brugerdefineret PD-funktionalitet ved blot at konfigurere PD-controlleren. Brug af evalueringskort og en PD-protokolanalysator letter udviklingsprocessen.