Brug en USB-C-opladningscontroller til hurtig implementering af hurtig opladning uden firmware

Tendensen mod større skærme, øget ydeevne og højere datakapacitet i 5G-smartphones driver et behov for større batterikapacitet med hurtig opladningsfunktion. Udfordringen for designere er at bevæge sig ud over konventionelle opladningsmetoder, der introducerer ineffektivitet, der kan resultere i overophedning på de krævede niveauer for at imødekomme stadig mere krævende forbrugernes forventninger til hurtig opladning.

Indførelsen af den programmerbare strømforsyning (PPS) i USB Type-C® (USB-C) strømforsyning (PD) 3.0 hjælper med at give en effektiv løsning, men den nødvendige firmwareudvikling kan stadig stoppe produktlevering.

Denne artikel beskriver problemerne i forbindelse med hurtigopladende 5G-telefoner, og hvordan USB-C PD 3.0 PPS kan hjælpe designere med effektivt at imødekomme kravene til hurtigere opladning af større batterier. Derefter introducerer og viser, hvordan udviklere kan bruge en stærkt integreret ON Semiconductor USB-C-controller, der implementerer USB-C PD 3.0 PPS i en finite state machine (FSM). Dette eliminerer behovet for firmwareudvikling og derved hurtigere implementeringen af hurtig opladning til næste generations opladere.

Mere kraftfulde smartphones bringer nye udfordringer til adaptere til hurtig opladning

Ifølge markedsanalytikere forventes 5G-smartphones at tegne sig for over 50 % af de samlede smartphone-forsendelser inden 2023. Ved at bruge disse telefoner til at drage fordel af 5G-tjenester, vil brugerne dog opleve, at den eksisterende base af telefonopladere og ladestationer vil være en dårlig match med kravene til hurtig opladning af denne nye generation af smartphones.

Som allerede set i 5G-telefoner som Samsung S20 Ultra 5G, tilbyder disse sofistikerede enheder større skærme samt øget behandlingskapacitet og langt større datakapacitet end tilgængelig med tidligere generationer af telefoner. For at matche deres større skærme og tilsvarende højere strømforbrug har tilgængelige 5G-telefoner allerede større batterier. For eksempel har Samsung S20 Ultra 5G en 6,9-tommers skærm og indeholder et 5.000 milliamp time (mAh) batteri - 25 % større kapacitet end den tidligere model.

Mens forbrugerne forventer en længere batterilevetid med batterier med større kapacitet, forventer de også, at opladningstiderne bliver endnu kortere - snarere end 25 % længere. For producenter, der ønsker at imødekomme den voksende efterspørgsel efter ladestationer i køretøjer, hjem og kontorer, bliver behovet for at reducere opladningstiden til batterier med højere kapacitet en væsentlig udfordring i lyset af begrænsningerne i selve batterierne.

Producenter af lithium-ion (Li-ion) batterier angiver strenge tærskler for opladning af strøm og spænding. Et konventionelt lithium-ion-batteri med en nominel værdi på 1.000 mAh klassificeres typisk til en opladningshastighed på 0,7 C eller 700 mA opladningsstrøm. Anvendt på et fuldt udtømt 5.000 mAh batteri, ville en opladningshastighed på 0,7 C (eller 3.500 mA opladningsstrøm) kræve cirka 45 minutter bare for at nå en opladningstilstand på 50 %.

Mere avancerede battericelle-teknologier kan understøtte opladningshastigheder på mere end 1 C, men både oplader og opladet enhed skal have plads til dramatisk højere effektniveauer. For eksempel vil et 5.000 mAh batteri, der er opladet ved en højere 1,5 C-hastighed, kun have brug for ca. 22 minutter for at oplade fra 0 % til 50 %, men ladestrømmen på 7,5 ampere (A) kan stresse komponenter og generere overdreven termisk belastning selv i meget effektiv opladningssystemer. Med den brede accept af USB-C som industristandard-grænseflade til strøm og anden funktionalitet ville en kompatibel oplader faktisk være begrænset i den maksimale strøm, den kunne levere via et USB-C-kabel. Den maksimale strøm er 5 A for USB-C-kabler, der indeholder en emarker IC, der giver kabelinformation til tilsluttede enheder. (For kabler uden for emarker er den maksimale strøm 3 A).

Producenter af mobile enheder kan selvfølgelig overvinde denne begrænsning ved at indsætte en opladningspumpe mellem forsyningsindgangen og batteriopladningskredsløbet. For at understøtte et 7,5 A-opladningssystem kunne rejseadapteren for eksempel levere 10 volt ved 4 A, afhængigt af en typisk opdelings-opladningspumpe for at afgive 5 volt ved ca. 8 A til opladningskredsløbet. Denne tilgang gør det muligt for en rejseadapter at øge USB-C-spændingen (VBUS) og samtidig opretholde et USB-C-kompatibelt strømniveau.

Øget opladningseffekt kræver mere effektiv kontrol

Understøttelse af VBUS-niveauer på mere end 5 volt har muliggjort brugen af denne højspændings-, lavstrømsmetode. USB PD 2.0-specifikationen definerer en række faste strømforsyningsobjekter (PDO'er), der specificerer kombinationer af faste spændingsniveauer (5, 9, 15 og 20 volt) og strømme (3 eller 5 A).

Selvom USB PD 2.0-faste PDO'er muliggør højere opladningseffekt, kan indstilling af opladningsspænding og strøm ved faste niveauer, der er for høje eller for lave, resultere i ineffektiv opladning, uacceptable termiske belastninger og belastning på komponenter. I praksis fungerer opladningskredsløb med optimal effektivitet, når deres indgangsspænding (leveret af USB-C VBUS) er lidt over deres udgangsspænding (batterispænding). Da batterispændingen konstant ændres under normal drift, er det imidlertid en udfordring at opretholde dette punkt med optimal opladningseffektivitet. Efterhånden som batteriet aflades, vil forskellen mellem batterispænding og USB-C opladningsspænding (VBUS) blive større, hvilket reducerer opladningseffektiviteten. Omvendt, når batteriet oplades, skal opladerkredsen reducere opladningsstrømmen for at beskytte batteriet.

Uden evnen til direkte at reducere opladningsniveauer, der leveres af rejseadapteren, vil strømafbrydelsen øges, sænke effektiviteten og generere varme. Som et resultat ændres det optimale opladningsniveau kontinuerligt, ofte i trinvise mængder, hvilket kræver et tilsvarende trinvist kontrolniveau på opladningsspænding og strøm for at opnå maksimal effektivitet.

Hvordan USB-C PD 3.0 PPS forbedrer effektiviteten

USB-C PD 3.0 PPS-kapacitet er designet til at imødekomme det voksende behov for mere effektiv opladning ved højere opladningseffekt og gør det muligt for enheden, der oplades (synke), at anmode opladeren (kilde) om at øge eller mindske opladningsspændingen og strømmen i mV og mA step annonceret i udvidede PDO'er. Ved hjælp af denne mulighed kan en sink indstille kildespænding og strøm for at optimere opladningseffektiviteten.

Indførelsen af PPS skifter dramatisk den måde, opladningsprocessen fungerer på. Tidligere styrede og udførte kildeladeren opladningsalgoritmen. Med PPS skifter kontrol af opladningsalgoritmen til en sink, hvilket kræver, at kilden udfører algoritmen som anvist af sink''en.

Med PPS kommunikerer en smartphone eller anden sink med en opladningskilde for at optimere strømforsyningen og når frem til en gensidigt acceptabel PD "kontrakt" gennem en forhandlingsprotokol, der involverer en kort udveksling som følger:

1. Kilden finder ud af, om forbindelseskablet er i stand til 5 A
2. Kilden annoncerer sin kildespænding og aktuelle kapaciteter beskrevet i så mange som syv PDO'er
3. En sink anmoder om en af de annoncerede PDO'er
4. Kilden accepterer den anmodede PDO
5. Kilden leverer strøm på det aftalte spændings- og strømniveau

Avancerede mobilenheder som tidligere nævnt Samsung 5G-telefon bruger denne mulighed til hurtig opladning ved hjælp af kompatible opladere. For producenter, der designer adaptere til hurtig opladning og bygger opladningsstationer til andre produkter, vil implementering af denne type opladningsprotokol typisk kræve udvikling af controller-firmware, der er i stand til at udføre protokollen og betjene tilhørende strømforsyninger. For en veletableret standard som USB-C PD PPS tilbyder en FSM-løsning imidlertid et effektivt alternativ, der eliminerer behovet for firmwareudvikling, der kan forsinke levering af det endelige produkt. Brug af en FSM-implementering af USB-C PD 3.0 inklusive PPS, ON Semiconductor'sFUSB3307 adaptiv kildeopladningscontroller fremskynder udviklingen af opladere, der kan opfylde kravene til hurtig opladning af næste generations smartphones og andre mobile enheder med batterier med høj kapacitet.

Integreret controller til USB-C PD 3.0-kompatible hurtig opladere

ON Semiconductors FUSB3307 er en integreret strømkilde-controller, der muliggør implementering af USB-C PD 3.0 PPS uden behov for en ekstern processor. Udover kabeldetektering, belastningsportdriver, flere beskyttelsesfunktioner og regulering af konstant spænding (CV) og konstant strøm (CC) integrerer enheden det komplette PD 3.0 Device Policy Manager, Policy Engine, Protocol og PHY lag i hardware.

FUSB3307 er designet til at understøtte både AC/DC og DC/DC-opladere og kan levere et komplet sæt svar, der passer til en PD-strømkilde. Som et resultat kan designere implementere en USB-C PD 3.0-kompatibel forsyningskilde med FUSB3307 og relativt få ekstra enheder og komponenter.

Når den er tilsluttet en sink, registrerer FUSB3307 automatisk funktionerne i sink-enheden og tilslutningskablet og vil annoncere dens muligheder i overensstemmelse med USB-C-specifikationer. Når en sink reagerer med valget af en understøttet PDO, vil FUSB3307 aktivere VBUS og styre strømkredsløb for at sikre, at den ønskede opladningsspænding og strømniveauer leveres til sink'en.

Fordi FUSB3307 integrerer et komplet sæt kontrolfunktionalitet, forbliver de grundlæggende driftsprincipper konceptuelt de samme for både AC/DC og DC/DC-opladerdesign. Som reaktion på kommandoer fra en sink bruger FUSB3307 i kilden sin CATH-udgangsstift til at køre et feedbackkontrolsignal til kildens strømtrin. Under opladningsoperationer overvåger FUSB3307 opladningsspændingen ved hjælp af sin VFB-pin og ladestrøm, der detekteres over en sensormodstand ved hjælp af dens IS +/IS-pins. Disse overvågede niveauer tilføres igen til interne spændings- og strømsløjfe-fejlkredsløb bundet til spændings- (VFB) og strøm (IFB) -stifter. Disse signaler fungerer igen til at styre CATH-stiften til CV- og CC-kontrol. Andre stifter i FUSB3307's 14-benede SOIC-pakke med lille kontur (SOIC) understøtter belastningsportdriveren, USB-C-stikgrænsefladen og beskyttelsesfunktioner.

FUSB3307 kilde-controller forenkler opladerdesign

Designs til hver type opladere bruger selvfølgelig forskellige konfigurationer til den primære CATH-udgang, VFB-indgang og andre ben. I en AC/DC-vægoplader eller AC/DC-adapter vil FUSB3307 overvåge spænding og strøm på sekundærsiden og køre feedback til den primære side (figur 1).

Figur 1: I et AC/DC-design til en vægoplader eller adapter reagerer FUSB3307 på kommandoer fra en vaskeanordning til forskellige opladningsspændinger ved at styre PWM-controlleren gennem en isolerende optokobler. (Billedkilde: ON Semiconductor)

I dette opladningsdesign vil FUSB3307 CATH-udgangsstiften typisk oprette forbindelse til en optokoblingskatode på den sekundære side for at levere et feedback-styresignal til en primær sidepulsbreddemodulationsstyring (PWM) -controller, såsom ON Semiconductor NCP1568. På den sekundære side vil FUSB3307-spændings- og strømfølsomindgange overvåge udgangen fra en synkron ensrettercontroller, såsom ON Semiconductor NCP4308.

I et DC/DC-opladerdesign, der f.eks. anvendes i en bilapplikation, styrer FUSB3307 DC/DC-controlleren direkte. Her er FUSB3307 CATH-feedback-signalet tilsluttet kompensationsstiften (COMP) på en DC/DC-controller, såsom ON Semiconductor NCV81599 (Figur 2).

Figur 2: I et DC/DC-opladerdesign til en biloplader styrer FUSB3307 direkte spændingsoutputtet fra en DC / DC-controller og hæver eller sænker output som befalet af en vask, såsom en 5G-telefon eller andre mobile enheder. (Billedkilde: ON Semiconductor)

ON Semiconductor implementerer dette specifikke DC/DC-opladerdesign i sit FUSB3307MX-PPS-GEVB evalueringskort til FUSB3307. Kortet er designet til at fungere fra en DC-forsyning og leverer en komplet opladningskilde, der er kompatibel med USB PD 3.0 med PPS og leverer 5 A strøm (maks.) Ved VBUS-niveauer fra standardens minimum 3,3 volt til dens maksimale 21 volt.

Evalueringskortet giver udviklere mulighed for at udforske FUSB3307-interaktion med USB PD 3.0-kompatible enheder samt ældre USB PD 2.0-enheder. Udviklere kan straks begynde at udforske processen af hurtig opladning ved at overvåge VBUS-spænding og strøm leveret af kortet til en USB-C PD-kompatibel enhed, såsom en bærbar computer eller smartphone.

Denne tilgang giver særlig indsigt i FUSB3307's evne til at interagere med en USB PD 3.0 5G-telefon uden for hylden samt telefonens brug af USB PD 3.0 PPS-protokollen for at optimere dens opladningsspænding og strøm. I en demonstration af denne evne ^[1], viser det sig, at en Samsung S20 Ultra 5G uden hylde udsender en række kommandoer til FUSB3307MX-PPS-GEVB-evalueringskortet for at ændre opladningsspændingen og strømmen i både store og små trin (figur 3).

Figur 3: ON Semiconductor FUSB3307MX-PPS-GEVB evalueringskortet demonstrerer FUSB3307s evne til at reagere på 5G-telefonens kommandoer til at finjustere opladningsspændingen og strømmen. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Efter at kortet og telefonen er tilsluttet i denne demonstration, vælger 5G-telefonen basislinjens PDO (5,00 volt og maks. 5,00 A) som vist i figurens første 10 sekunder. I denne fase er opladningsspændingen (VBUS) 5 volt, og 5G-telefonen synker omkring 2 A opladningsstrøm (IBUS). 5G-telefonen anmoder derefter om en udvidet PDO, der erklærer kildens evne til at levere 8 volt ved 4 A. FUSB3307 imødekommer anmodningen, og ændringen er øjeblikkelig: VBUS hopper til 8 volt som anmodet, og IBUS viser en gradvis stigning som 5G-telefonen ramper den øgede IBUS-strøm.

Efter dette skarpe spring i VBUS bliver de inkrementelle stigninger i mulig opladningseffekt med PPS tydelige. 5G-telefonen anmoder om en stigning på 40 millivolt (mV) i VBUS omkring hver 210 millisekunder (ms), og gradvist rampe VBUS til endnu højere niveauer. Når IBUS når 4 A (stiplet grøn linje i figuren), bruger FUSB3307 standard PPS-protokollen til at udsende en advarselsmeddelelse, der underretter 5G-telefonen om, at den ønskede aktuelle grænse er nået. 5G-telefonen udsender fortsat anmodninger om yderligere stigninger i VBUS i intervaller på 40 mV og når til sidst 9,8 volt. I daglig brug kan denne form for adaptiv kildeopladningsfunktion opnå maksimal opladningseffektivitet, der kræves til hurtig opladning uden overophedning eller på anden måde kompromitterer sink-enheden.

Ved hjælp af ON Semiconductor FUSB3307MX-PPS-GEVB evalueringskort kan udviklere straks undersøge brugen af USB-C PD i eksisterende enheder og udvide kortets tilknyttede referencedesign til at implementere brugerdefineret hurtig opladning i enheder, der er kompatible med USB PD 3.0. Bedst af alt kræver implementering ingen firmwareudvikling. Med FUSB3307 bruger udviklere kendte strømforsyningsteknikker til at opbygge adaptere, der er i stand til fuldt ud at udnytte de hurtige opladningsfunktioner i næste generations 5G-telefoner og andre kompatible enheder.

Konklusion

Mens 5G-telefoner giver brugerne et væld af nye funktioner og funktioner, udfordrer batterierne med større kapacitet, der er nødvendige for at understøtte disse enheder, også designere. Især skal de sikre, at rejseadaptere og ladestationer leverer hurtig opladning uden overophedning af telefonen.

Med sin fuldt kompatible USB PD 3.0 PPS-kapacitet - og intet behov for firmwareudvikling - tilbyder ON Semiconductors FUSB3307 adaptive opladningscontroller en øjeblikkelig designløsning. Ved at bruge denne controller i kombination med velkendte strømforsyningsenheder og komponenter kan udviklere hurtigt implementere adaptere, der er i stand til at understøtte en hurtigt voksende base af USB PD 3.0-kompatible 5G-telefoner og andre mobile enheder.

Reference

1. Convergence of 5G, Fast Charging and USB-C Programmable Power Supplies