USB PD 3 sink-controllere sætter strøm til USB Type-C-applikationer

Vinduet lukker hurtigt for proprietære enhedsopladere, efterhånden som regionale myndigheder begynder at kræve en fælles opladningsløsning baseret på et standard USB Type-C®-kabel og -stik. Produktdesignere, der kæmper for at komme foran de regionale krav om at opfylde denne standard, kan optimere deres applikationer til denne nye æra ved at anvende USB Power Delivery (PD) sink-controllere, der forhandler strømforsyningen mellem enheder og opladere.

Efter december 2024 skal alle kablede, opladelige enheder i EU, der kræver op til 100 W (bærbare computere er midlertidigt undtaget fra mandatet indtil 2026), bruge den opladelige USB Type-C-port, der overholder USB PD-specifikationerne. Andre mandater for vedtagelse af denne standard træder i kraft i 2025 i Indien og Saudi-Arabien, efterfulgt af Californien i 2026.

USB Type-C alene kan kun levere 5 V ved 3 A, i alt 15 W. For at opnå 100 W kræves der USB PD 3.0- eller USB PD 3.1-specifikationer, som sikrer, at Type-C-stik kan håndtere højere spændinger, samtidig med at de overfører højhastighedsdata.

USB PD 3.0 understøtter levering af op til 100 W og faste spændinger på 5 V, 9 V, 15 V og 20 V med en maksimal strøm på 5 A. Den opdaterede USB PD 3.1-specifikation har et udvidet effektområde (Extended Power Range – EPR) og avanceret spændingsforsyning (Advanced Voltage Supply – AVS), der øger udgangseffekten til hele 240 W og tilføjer tre nye faste spændinger på 28 V, 36 V og 48 V.

USB PD 3.x-specifikationerne forbedrer tidligere PD 2.0-versioner med en stigning i mængden af information, der udveksles mellem en sink (den enhed, der modtager strøm) og en kilde (den enhed, der leverer strøm) for at inkludere faktorer, der kan påvirke applikationen, såsom opladningsstatus for enhedens batteri, batteritemperatur, fejl og overspænding.

De 100 W strøm, der leveres via USB PD 3.0, er tilstrækkelig til at oplade nogle bærbare computere, skærme og endda nogle tv'er. USB PD understøtter også video- og lydudgang, herunder DisplayPort og HDMI, og dataoverførselsprotokoller som Thunderbolt 3.

Leverer forbedrede applikationer

Produktdesignere kan drage fordel af USB PD 3.x for at give brugerne en bedre oplevelse med hurtigere opladning og dataoverførsel og enhedskompatibilitet med et enkelt kabel og stik. De kan gøre krav på at reducere det e-affald, der akkumuleres fra forbrugeres og virksomheders brug af flere kabler og opladere til at oplade flere enheder.

Teknologien gør det muligt for designere at forenkle design med færre porte og komponenter. Derudover kan de muligvis reducere produktions- og forsendelsesomkostningerne ved at eliminere vægten og den ekstra emballage af opladere samt den tid og indsats, der kræves for at opdatere nye enhedsspecifikke opladere.

Ved at bruge et enkelt kabel og stik til flere funktioner kan designere fokusere på at skabe nye og forbedrede applikationer, der udnytter den høje effekt og datahastighed i USB Type-C PD. De kan også forbedre brugeroplevelsen og funktionaliteten af deres produkter med ekstra funktioner som dockingstationer, hubs og konvertere, der udvider enhedernes tilslutningsmuligheder og kompatibilitet.

Når man udvikler nye applikationer med USB PD 3.0, står produktdesignere over for nogle udfordringer, som f.eks. at overholde USB PD-specifikationen og sikre interoperabilitet med andre enheder og opladere.

Forebyggelse af skader som følge af overspænding, overstrøm eller omvendt polaritet er et andet kritisk punkt, især fordi løsninger, der bruger denne teknologi, anvender mere komplekse kredsløb og firmware end tidligere generationer. For at overvinde sådanne udfordringer er der strømforsyningscontrollere, der understøtter flere protokoller og konfigurationer, og evalueringskort, der muliggør hurtig prototyping og verificering.

Sæt USB Type-C PD til at arbejde

Nøglen til USB PD 3.0 er evnen til at forhandle og styre strømforsyningen mellem en sink og en strømkilde ved hjælp af en standardiseret protokol. USB PD sink-controllere forhandler med en USB PD-kilde, f.eks. en oplader, for at få en enheds strømprofil. Kompatible enheder kan anmode om og levere forskellige spændinger og strømme i henhold til deres behov og evner og dynamisk justere effektniveauer under drift.

Processen for forhandling og styring af strømforsyningen består af fire faser:

• Opdagelse sker, når sink og kilde identificerer hinanden som USB PD-kompatible enheder og etablerer en datakommunikationskanal via konfigurationskanalens (CC) ben på USB Type-C-stikket.
• Kapacitetsudveksling er, når kilden identificerer sine understøttede strømprofiler – spændings- og strømniveauer – til senderen, som derefter anmoder om en profil, der matcher dens krav.
• Strømkontrakt er en proces, hvor kilden accepterer eller afviser sinkens anmodning. Hvis den accepteres, begynder kilden at levere den ønskede strøm til sinken ved hjælp af de aftalte strømparametre.
• Opdatering af strømregler gør det muligt for sinken eller kilden at indlede en ny strømforhandling for at tage højde for ændringer i batteriniveauet eller belastningen på sinken eller ændringer i kildens indgangseffekt.

USB PD 3.0 bruger udvidede meddelelser, der styrer udvekslingen af information mellem en sink og en kilde, f.eks. batteristatus, temperatur eller producentspecifikke data. Den understøtter også PPS-tilstand (programmerbar strømforsyning), som muliggør en mere finkornet styring af kildens udgangsspænding og -strøm og problemfri skift af strømroller mellem sink og kilde uden at afbryde datakommunikationen.

En anden vigtig funktion i USB PD 3.0 er omvendt opladning, som gør det muligt for en enhed med højere batterikapacitet at oplade en enhed med lavere batterikapacitet, uanset deres strømroller. Så ved hjælp af det samme USB Type-C-kabel kan en bærbar computer f.eks. oplade en smartphone, eller den samme smartphone kan oplade et headset, hvilket er en indlysende fordel for brugere af enheder, der kan bære ét kabel til opladning af flere enheder.

Omvendt opladning er muligvis ikke kompatibel med alle enheder eller opladere. Derudover kan det resultere i reduceret batterilevetid for den enhed, der fungerer som kilde, og øge kompleksiteten og omkostningerne ved kredsløbsdesignet. Så som med alle elektroniske applikationer skal produktdesignere afveje kompromiset ved at implementere omvendt opladning for at sikre, at de overholder USB PD 3.x-specifikationerne, og teste interoperabilitet med en række enheder og opladere.

USB 3 sink-controllere

For at aktivere USB PD 3.x-funktionalitet i deres enheder kan produktdesignere bruge dedikerede sink-controllere, der understøtter protokollen og håndterer kommunikationen med kildeenheden.

Diodes Incorporated tilbyder højt integrerede og omkostningseffektive løsninger, der giver hurtig opladning, omvendt opladning, PPS-tilstand og andre funktioner i USB PD 3.x. De understøtter også ældre protokoller som Qualcomm Quick Charge 4+ og Huawei FCP/SCP, hvilket sikrer kompatibilitet med en lang række opladere og adaptere.

AP33771 (figur 1) er en USB PD 3.0-controller, der har USB PD 3.0-kompatibel firmware og en grænseflade med en forudindlæst strømmenu, som gør den nemmere at bruge. Den har en udgangskanal, der kan levere op til 27 W effekt.

Figur 1: Ben-tildelingerne på AP33771 sink-controlleren. (Billedkilde: Diodes Incorporated)

AP33772 (figur 2) er en USB PD 3.0-controller, der bruger et I²C-interface og indbygget firmware til at forhandle strøm og spænding. Det giver designerne større fleksibilitet til at implementere alle PD-sink-funktioner. Den har også to udgangskanaler, der kan levere op til 45 W effekt, og har et indbygget OVP-kredsløb (overspændingsbeskyttelse) for hver kanal, som kan forhindre skader på enheden i tilfælde af en defekt oplader eller et defekt kabel.

Figur 2: Diodes' AP33772 sink-controller kommer i samme størrelse emballage som AP33771, men med forskellige ben-tildelinger. (Billedkilde: Diodes Incorporated)

Diodes tilbyder også en USB PD 3.1 sink-controller, AP33771C, der understøtter EPR/AVS op til 28 V og standard effektområde (SPR)/PPS op til 21 V.

Hver af disse controllere har et lavt strømforbrug i standby, høj effektivitet og termiske beskyttelsesfunktioner. De fås i små W-QFN4040-24-pakker (4 mm x 4 mm), hvilket gør dem velegnede til kompakte og bærbare enheder.

Derudover tilbyder Diodes to evalueringskort til sine USB PD 3.0-controllere. AP33771-EVB og AP33772-EVB er begge designet til opladning ved hjælp af en enhed med Type-C-stik og en PD-oplader eller adapter med Type-C-stik. AP33771-EVB bruger en simpel modstandsindstilling til USB-PD-forhandling, mens AP33772-EVB bruger I²C.

Konklusion

USB Type-C er på vej til at blive den globale standard for dataforbindelse til enheder. USB PD 3.x-protokollerne giver produktdesignere mulighed for at skabe applikationer, der leverer mere strøm, hurtigere opladning og bedre dataoverførsel til deres enheder ved hjælp af globalt accepterede stik og kabler, hvilket eliminerer behovet for enhedsspecifikke opladere. Med Diodes Incorporated's løsninger kan produktdesignere nemt integrere USB PD 3.0 eller PD 3.1 i deres enheder for at øge ydeevnen og forbedre brugeroplevelsen.