Cum să măriți rapid transferul de energie de la dispozitivele USB-C la 100 W cu o programare minimă

Pe măsură ce porturile Universal Serial Bus Type-C (USB-C) devin tot mai frecvente, mulți utilizatori se bazează pe acestea pentru a furniza niveluri tot mai ridicate de energie electrică unei mari varietăți de dispozitive conectate. Cu toate acestea, specificația USB-C limitează alimentarea de bază a unui dispozitiv „exclusiv Type-C” la maximum 15 wați (5 volți, 3 amperi (A)).

Pentru a depăși această limitare, proiectanții pot adăuga USB Power Delivery (PD) și pot crea un dispozitiv Type-C PD care să furnizeze până la 100 de wați (20 de volți, 5 A) în gama de putere standard (SPR). Acum, în loc să programeze cu greu protocolul USB PD cuprinzător, dezvoltatorii pot configura cu ușurință un controler PD disponibil în comerț și pot adăuga funcționalități PD personalizate și optimizate la încărcătoarele c.a./c.c. și la porturile USB controlate de curent.

Acest articol oferă o prezentare generală a cerințelor de bază pentru sistemele PD. Apoi, prezintă controlerul PD FUSB15101MNTWG de la onsemi și arată cum se poate începe rapid configurarea firmware-ului controlerului preprogramat folosind plăci de evaluare, software de dezvoltare, adaptoare de programare/depanare și un analizor de protocol PD.

Convertor de comutare cu reglarea puterii controlată prin protocol

A fost o vreme când încărcătoarele analogice de perete pentru dispozitivele alimentate cu baterii erau formate doar din două componente: un transformator și un redresor. În prezent, nevoia de eficiență mai mare, o mai mare flexibilitate și miniaturizarea continuă s-au combinat și au făcut ca alimentarea chiar și a dispozitivelor electronice simple să fie un efort complex. Convertoarele de comutare din ziua de azi, bazate pe microcontroler, trebuie acum să negocieze în mod dinamic puterea de ieșire cu sarcinile inteligente conectate prin intermediul unui protocol complex.

USB PD este un astfel de protocol. În versiunea 3.1, acesta coordonează până la 240 de wați de energie electrică de linie prin intermediul unui cablu de conectare inteligent USB Type-C Electronically Marked Cable Assembly (EMCA), menținând în același timp retrocompatibilitatea cu standardele USB mai vechi. Cu toate acestea, controlul transmiterii dinamice a energiei PD prin intermediul conectorului USB-C cu 24 de pini depășește cu mult tensiunile de control statice de pe liniile de date ale interfeței USB clasice cu patru fire.

Un dispozitiv USB PD poate funcționa ca sursă de alimentare a unui port orientat în aval (DFP), ca și consumator de energie (sau „sink”) al unui port orientat în amonte (UFP) sau în modul „dual role port” (DRP). Un dispozitiv sursă PD comută în mod intern rezistoarele de ridicare la două linii de control (CC1 și CC2); un dispozitiv consumator PD se identifică prin rezistoare interne de coborâre.

Cele două linii CC sunt utilizate simultan pentru a transmite mesaje PD cu o lungime de până la 356 de biți la o frecvență de ceas de 300 kilohertzi (kHz) (Figura 1). Mesajele scurte de control coordonează fluxul de mesaje între doi parteneri de port, în timp ce mesajele de date mai lungi sunt utilizate pentru a negocia puterea și a controla autotestul încorporat (BIST) sau pentru a transmite conținut specific OEM.

Figura 1: Structura mesajului PD poate ajunge în mod dinamic la o lungime de 356 de biți. (Sursa imaginii: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Negocierea puterii între dispozitivele PD

USB PD 3.0 SPR definește mai multe niveluri de tensiune fixe între 5 și 20 de volți și acceptă doar profiluri de putere statică de până la 100 de wați. Utilizând extensia PPS (Programmable Power Supply), un dispozitiv USB consumator poate solicita în timp real o tensiune de la sursa de alimentare USB între 3 și 21 de volți, în trepte de 20 de milivolți (mV), în funcție de nevoile sale.

Astfel, PPS simplifică electronica convertorului de comutare din dispozitivul mobil, reduce disiparea de căldură și accelerează încărcarea prin optimizarea adaptării puterii. USB PD 3.1 definește o gamă extinsă de putere (EPR) până la un maxim de 240 de wați și utilizează o sursă de tensiune reglabilă (AVS) pentru a regla tensiunea magistralei într-un interval mai mare, între 15 și 48 de volți.

Deoarece 3 A depășește deja capacitatea cablurilor USB obișnuite în ceea ce privește transportul curentului, USB Implementers Forum (USB-IF) prevede că trebuie utilizate cabluri EMCA speciale. Acestea au secțiuni transversale mai groase ale firelor și o izolație a cablului mai groasă. Cipurile E-Marker din fișele cablurilor confirmă aceste caracteristici consolidate ale cablurilor prin intermediul protocolului PD. Astfel, acestea influențează negocierea energiei între dispozitivul sursă și dispozitivul consumator.

Comunicarea PD utilizează coduri K speciale pentru a delimita mesajele. Secvența specială de cod K care indică începutul unei secvențe se numește Start Of Packet (SOP). Se definesc trei secvențe: SOP, SOP' și SOP''', astfel încât un DFP (o sursă de alimentare, cum ar fi un adaptor de încărcare a rețelei PD) să poată comunica ca inițiator cu oricare dintre cele două cipuri E-Marker din conectorii cablului EMCA, precum și cu UFP (consumatorul de energie USB).

Schema de flux din Figura 2 prezintă schimbul de mesaje în timpul unei negocieri de energie reușite între două dispozitive PD conectate prin intermediul unui cablu EMCA.

Figura 2: Este prezentată negocierea reușită a energiei între două dispozitive USB PD prin intermediul unui cablu EMCA. Notă: Rqt = Cerere; Ack = Confirmare. (Sursa imaginii: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Configurați în loc să programați

Complexitatea protocolului PD se traduce printr-un exercițiu de programare minuțios pentru dezvoltator. O abordare mai rapidă constă în configurarea unui controler USB PD preprogramat cu caracteristici personalizate. Un exemplu de controler este FUSB15101MNTWG de la Onsemi. Acesta este un controler USB PD 3.1 extrem de integrat care poate controla regulatorul de comutare din partea principală a unui adaptor c.a./c.c. prin intermediul unui optocuplor sau poate controla direct un regulator de curent al unui port c.c./c.c.

Această soluție „multifuncțională” minimizează complexitatea circuitului prin periferice hardware optimizate, inclusiv convertoare digitale-analogice și analogice-digitale, senzor de temperatură NTC și drivere de poartă NMOS. Firmware-ul cu sursă deschisă cu o interfață de programare a aplicațiilor (API) și mediul de dezvoltare integrat (IDE) bazat pe Eclipse facilitează programarea.

FUSB15101 integrează un procesor Arm® Cortex® M0+ de înaltă eficiență cu o interfață UART și suportă specificația PPS, reglând tensiunea de ieșire de la 3,3 la 21 volți. Acesta oferă o reglare programabilă a tensiunii constante (CV) și a curentului constant (CC) și compensează pierderile din cablu. De asemenea, sunt disponibile funcții de protecție la supratensiune, subtensiune, supracurent și supratemperatură, precum și diode de protecție la supratensiune pe pinii conectorului USB-C. Controlerul PD susține alimentarea V_CONN pentru cipurile E-Marker din cablurile EMCA, în timp ce modurile sale de inactivitate și de repaus îndeplinesc cerințele Certificatului de conformitate (CoC) și ale Proiectării experimentelor (DOE).

Aplicațiile tipice includ:

• Adaptor c.a./c.c. compatibil USB PD (vedeți Aplicația 1)
• Porturi c.c./c.c. compatibile USB PD (vedeți Aplicația 2)

Aplicația 1: sursă de alimentare cu comutație c.a./c.c. cu ieșire USB PD

În această aplicație, controlerul FUSB15101 USB PD controlează regulatorul de comutare flyback cvasi-rezonant (QR) NCP1345Q02D1R2G pe partea principală a unei surse de alimentare cu comutație c.a./c.c. prin intermediul unui optocuplor. NCP1345 funcționează la o tensiune cuprinsă între 9 și 38 de volți de la o înfășurare auxiliară a transformatorului, utilizând în același timp o a doua înfășurare auxiliară pentru a genera o tensiune de patru ori mai mare pentru a oferi o tensiune de comutare suficientă pentru un MOSFET la tensiuni de ieșire USB scăzute de 3,3 volți. Pe partea secundară, controlerul NCP4307AASNT1G controlează redresarea sincronă. Combinarea celor trei circuite integrate rezultă într-o sursă de alimentare pentru schimbarea treptelor de viteză care atinge în mod constant o eficiență de aproximativ 90% pe diferite profiluri de putere PD.

Figura 3 prezintă schema de circuit principală a unui încărcător de rețea USB-C PD 3.0 PPS bazat pe cele trei circuite integrate care furnizează 65 de wați (20 volți/3,25 A).

Figura 3: În această soluție pentru încărcătoare de perete USB PD, FUSB15101 controlează regulatorul de comutare flyback NCP1345 QR de pe partea principală a sursei de alimentare de comutare c.a./c.c. prin intermediul unui optocuplor. (Sursa imaginii: onsemi)

Programatorii își încep propria aplicație de alimentare USB PD folosind placa de evaluare NCP1342PD65WGEVB de la Onsemi, prezentată în Figura 4.

Figura 4: Utilizând placa de evaluare a încărcătorului de perete NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0, programatorii pot începe imediat. (Sursa imaginii: onsemi)

Bobina de stocare a acestei plăci, sub forma unui transformator RM8 compact, oferă o putere de ieșire de 60 de wați (20 volți/3 A). Regulatorul de comutare flyback cvasi-rezonant NCP1342BMDCDD1R2G funcționează cu o tensiune cuprinsă între 9 și 28 de volți de la o singură înfășurare auxiliară. Potrivită pentru dezvoltarea de convertoare de putere offline de înaltă performanță și adaptoare USB PD, aceasta dispune de funcția de întoarcere rapidă a frecvenței (RFF) pentru o eficiență îmbunătățită pe întreaga gamă de sarcini. Un condensator de descărcare X2 activ integrat elimină necesitatea de utilizare a rezistoarelor de descărcare și permite un consum de energie de sub 40 de miliwați (mW) fără sarcină.

Aplicația 2: Controler de curent c.c./c.c. pentru un port USB PD

În această aplicație, controlerul FUSB15101 USB PD controlează controlerul NCV81599MWTXG de coborâre/ridicare cu patru trepte, controlerul convertorului c.c./c.c. de ridicare/coborâre. Acest lucru permite ca un port USB-C, care altfel este limitat la 15 wați, să fie extins la o sursă de alimentare PD care furnizează peste 60 de wați și este alimentată de sursa de alimentare internă c.c. a dispozitivului sau de o baterie (Figura 5).

Figura 5: În această aplicație de control al curentului portului c.c./c.c., FUSB15101 controlează direct controlerul convertorului c.c./c.c. cu patru trepte NCV81599. (Sursa imaginii: onsemi)

Dezvoltatorii pot economisi timp și pot începe imediat testarea și programarea cu NCV81599 utilizând placa de evaluare FUSB3307MPX-PPS-GEVB. Acest circuit de reglare a curentului c.c./c.c. convertește un port USB într-o sursă de curent PD 3.0 PPS, care furnizează până la 5 A la tensiuni de magistrală de la 3,3 la 21 de volți (Figura 6). Circuitul este capabil să detecteze cablurile E-Marker și poate fi operat independent sau conectat la un echipament de testare.

Figura 6: FUSB3307MPX-PPS-GEVB este o placă de evaluare pentru NCV81599 care transformă porturile USB într-o sursă de alimentare PD 3.0 PPS. (Sursa imaginii: onsemi)

O sursă de alimentare c.c. sau o baterie alimentează intrarea V_BAT a plăcii FUSB3307 cu 4,5 până la 32 de volți. Circuitul gestionează reglarea tensiunii constante (CV) sau a curentului constant (CC) și are protecție împotriva supratensiunii, subtensiunii, scurtcircuitului, supratemperaturii și a condițiilor de defecțiune a cablului.

Programarea FUSB15101

Firmware-ul FUSB15010 este un driver de controler de tip C PD foarte optimizat, care acceptă procesorul Arm Cortex M0+ integrat. Firmware-ul are flexibilitatea de a gestiona noi mesaje PD, precum și fluxuri de stare suplimentare Type-C. Codul este organizat modular, separând codul sursă al aplicației, stratul de abstractizare hardware, codul dependent de platformă și funcțiile de bază USB Type-C PD.

Funcțiile de bază ale PD pot fi configurate prin intermediul opțiunilor de construire a proiectului sau prin modificarea fișierului de informații de la furnizor „vif_info.h”. Baza de coduri include un proiect mostră Eclipse care poate fi compilat utilizând IDE, permițând o pornire mai rapidă pentru evaluarea controlerului independent Type-C PD.

Tabelul 1 rezumă profilurile PD acceptate de FUSB15101; PDO este obiectul de furnizare a energiei.

Tabelul 1: Sunt prezentate profilurile PD suportate de FUSB15101. (Sursa tabelului: onsemi)

După cum s-a menționat, parametrii unui profil de încărcare pot fi modificați foarte ușor în fișierul „vif_info.h”. Următorul cod arată cum se modifică curentul maxim în PDO 4 de la 20 volți/3 A la 20 volți/3,25 A:

Valorile actuale ale PDO:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3.00 A

Valorile noi ale PDO:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3.25 A

Mai multe detalii și instrucțiuni pentru instalarea IDE-ului, precum și pentru importul firmware-ului și compilarea fișierului binar, pot fi găsite în ghidul FUSB15101EVBSPG.

Instalarea instrumentelor de programare și procedura pentru one-time flash sunt descrise în manualul de utilizare UM70086-D. Un adaptor de programare și depanare Arm Cortex-M adecvat pentru a facilita dezvoltarea este 8.08.91 J-LINK EDU MINI de la Segger Microcontroller Systems.

Verificarea comunicării PD

Pentru a verifica comunicarea dintre două dispozitive USB PD, dezvoltatorii pot utiliza analizorul de protocol CY4500 de la Infineon Technologies, care suportă specificațiile USB PD 3.0 și USB-C. Acesta efectuează teste neintruzive și captează cu exactitate mesajele de protocol de pe liniile CC. Software-ul de analiză EZ-PD asociat enumeră în detaliu toate mesajele unui dialog între două dispozitive USB PD și un cablu EMCA (Figura 7).

Figura 7: Software-ul de analiză EZ-PD urmărește dialogul dintre două dispozitive USB PD pe liniile CC. (Sursa imaginii: Infineon Technologies)

Concluzie

Deși este important să înțelegeți elementele de bază ale protocolului USB PD pentru a adapta proiectele pentru a satisface nevoile tot mai mari de alimentare ale dispozitivelor utilizatorilor finali, acesta este un protocol complex care poate necesita o programare extinsă. Pentru a economisi timp, dezvoltatorii pot utiliza controlere USB PD preprogramate și foarte bine integrate pentru a crește puterea USB-C de 15 wați la peste 100 de wați. Încărcătoarele USB c.a./c.c., precum și porturile USB c.c./c.c., pot fi îmbunătățite cu funcționalitate PD personalizată prin simpla configurare a controlerului PD. Utilizarea plăcilor de evaluare și a unui analizor de protocol PD facilitează procesul de dezvoltare.