Slik kan du raskt øke strømoverføringen fra USB-C-enheter til 100 W med minimal programmering

Etter hvert som USB-C-porter (USB-C –Universal Serial Bus Type-C) blir vanligere, er mange brukere avhengige av at de leverer stadig høyere strømnivåer til et bredt utvalg av tilkoblede enheter. USB-C-spesifikasjonen begrenser imidlertid den standard strømforsyningen for en «kun Type-C»-enhet, til maksimalt 15 watt (5 volt, 3 ampere (A)).

For å få bukt med denne begrensningen kan konstruktører legge til USB Power Delivery (PD) og lage en Type-C PD-enhet som kan forsyne opptil 100 watt (20 volt, 5 A) i det standard strømområdet (SPR – Standard Power Range). Nå, i stedet for å omhyggelig programmere den omfattende USB PD-protokollen, kan utviklere enkelt konfigurere en standard PD-styring og legge til egendefinert og optimalisert PD-funksjonalitet til AC–DC-ladere og strømstyrte USB-porter.

Denne artikkelen gir en oversikt over kjernekravene til PD-systemer. Den introduserer deretter FUSB15101MNTWG PD-styringen fra onsemi og viser hvordan man raskt kan begynne å konfigurere den forhåndsprogrammerte fastvaren til styringen ved å bruke evalueringskort, utviklingsprogramvare, programmerings-/feilsøkingsadaptere og en PD-protokollanalysator.

Vekslingsomformer med protokollstyrt strømregulering

Det var en tid da analoge veggladere for batteridrevne enheter besto av bare to komponenter: en transformator og en likeretter. Nå har behovet for høyere effektivitet, større fleksibilitet og pågående miniatyrisering blitt kombinert for å gjøre det til en kompleks oppgave å drive selv enkle elektroniske enheter. Dagens mikrokontrollerbaserte vekslingsomformere må nå dynamisk forhandle utgangseffekten med tilkoblede smarte laster via en kompleks protokoll.

USB PD er én slik protokoll. I versjon 3.1 koordinerer den opptil 240 watt elektrisk linjestrøm via en intelligent USB Type-C-tilkoblingskabel med elektronisk merket kabelmodul (EMCA – Electronically Marked Cable Assembly), samtidig som den opprettholder bakoverkompatibilitet med eldre USB-standarder. Styringen av dynamisk PD-strømoverføring via den 24-pinners USB-C-kontakten, går imidlertid langt utover de statiske styringsspenningene på datalinjene til den klassiske USB-tilkoblingen med fire ledere.

En USB PD-enhet kan fungere som DFP-strømkilde (DFP – downstream facing port), som UFP-strømforbruker (UFP – upstream facing port) (eller «sink») eller i DRP-modus, som er en port med to roller (DRP – dual role port). En PD-kildeenhet veksler internt sluttmotstandene (pull-up resistors) til to styringslinjer (CC1 og CC2). En PD-sink identifiserer seg selv via interne sluttmotstander.

De to CC-linjene brukes samtidig til å overføre PD-meldinger på opptil 356 bits i lengde, med en klokkefrekvens på 300 kilohertz (kHz) (figur 1). Korte styringsmeldinger koordinerer meldingsflyten mellom to portpartnere, mens lengre datameldinger brukes til å forhandle strømmen og styre den integrerte selvtesten (BIST – built-in self-test) eller overføre OEM-spesifikt innhold.

Figur 1: PD-meldingsstrukturen kan dynamisk gå opptil 356 bits i lengde. (Bildekilde: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Strømforhandling mellom PD-enheter

USB PD 3.0 SPR-en definerer flere faste spenningsnivåer mellom 5 og 20 volt, og støtter bare statiske strømprofiler på opptil 100 watt. Ved hjelp av PPS-utvidelsen (PPS – Programmable Power Supply), kan en USB-sink be om en spenning i sanntid fra USB-strømkilden på mellom 3 og 21 volt, i trinn på 20 millivolt (mV), i henhold til behovene.

PPS forenkler dermed vekslingsomformerens elektronikk i den mobile enheten, reduserer varmeavledning og akselererer lading ved å optimalisere strømtilpasning (power matching). USB PD 3.1 definerer et utvidet strømområde (EPR – extended power range) på opptil maksimalt 240 watt, og bruker en justerbar spenningsforsyning (AVS – adjustable voltage supply) til å regulere busspenningen i et høyere område, på mellom 15 og 48 volt.

Siden 3 A allerede overskrider strømbærekapasiteten til vanlige USB-kabler, fastsetter USB IF (USB Implementers Forum) at spesielle EMCA-kabler skal brukes. Disse har tykkere ledningstverrsnitt og kabelisolasjon. E-Marker-brikkene i kabelpluggene bekrefter disse forsterkede kabelfunksjonene ved hjelp av PD-protokollen. Ved å gjøre dette, påvirker de strømforhandlingene mellom kilden og mottakerenheten (sink).

PD-kommunikasjon bruker spesielle K-koder til å skissere meldinger. Den spesielle K-kode-sekvensen som indikerer starten på en sekvens, kalles SOP (start of package). Tre sekvenser er definert: SOP, SOP’ og SOP''. På denne måten kan en DFP (en strømkilde, for eksempel en PD-nettverksladeadapter) kommunisere som en initiator med én av de to E-Marker-brikkene i EMCA-kabelkontaktene, samt med UFP-en (USB power sink).

Flytskjemaet i figur 2 viser meldingsutvekslingen under en vellykket strømforhandling mellom to PD-enheter som er koblet til via en EMCA-kabel.

Figur 2: Her vises den vellykkede strømforhandlingen mellom to USB PD-enheter over en EMCA-kabel. Merknad: Rqt = Forespørsel (request); Ack = Bekreft (acknowledge). (Bildekilde: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Konfigurere i stedet for å programmere

Kompleksiteten til PD-protokollen betyr at utvikleren får seg en omhyggelig programmeringsoppgave. En raskere tilnærming er å i stedet konfigurere en forhåndsprogrammert USB PD-styring med egendefinerte funksjoner. Et eksempel på en styring, er onsemi sin FUSB15101MNTWG. Dette er en svært integrert USB PD 3.1-styring som kan styre den primære vekslingsregulatoren til en AC–DC-adapter via en optokobler, eller direkte styre en strømregulator for DC–DC-porten.

Denne alt-i-ett-løsningen minimerer kretskompleksiteten ved å bruke optimalisert maskinvareperiferiutstyr, blant annet digital-til-analog- og analog-til-digital-omformere, NTC-temperaturføling og NMOS-gate-drivere. Fastvare med åpen kildekode som har et programmeringsgrensesnitt (API – application programming interface) og det Eclipse-baserte integrerte utviklingsmiljøet (IDE – integrated development environment) forenkler programmeringen.

FUSB15101 integrerer en høyeffektiv Arm® Cortex® M0+-prosessor med et UART-grensesnitt og støtter PPS-spesifikasjonen, noe som regulerer utgangsspenningen fra 3,3 til 21 volt. Den tilbyr programmerbar regulering for konstant spenning (CV – constant voltage) og konstant strøm (CC – constant current), og kompenserer for kabeltap. Beskyttelsesfunksjoner for overspenning, underspenning, overstrøm og overtemperaturer er også tilgjengelige, samt beskyttelsesdioder for overspenning på USB-C-kontaktpinnene. PD-styringen støtter V_CONN-strøm for E-Marker-brikkene i EMCA-kabler, mens hvile- og dvalemodusene oppfyller kravene til CoC (Certificate of Conformity) og DOE (Design of Experiments).

Typiske bruksområder omfatter:

• USB PD-kompatibel AC–DC-adapter (se bruksområde 1)
• USB PD-kompatible DC–DC-porter (se bruksområde 2)

Bruksområde 1: AC–DC-strømforsyning med USB PD-utgang

I dette bruksområdet styrer FUSB15101 USB PD-styringen den kvasiresonante (QR – quasi-resonant) NCP1345Q02D1R2G-vekslingsregulatoren med tilbakekobling (flyback switching regulator) på hovedsiden til en vekslende AC–DC-strømforsyning via en optokobler. NCP1345 fungerer fra 9 til 38 volt fra en hjelpevikling på transformatoren, samtidig som den bruker en andre hjelpevikling til å generere en spenning som er fire ganger høyere for å gi nok vekslingsspenning for en MOSFET ved lave USB-utgangsspenninger på 3,3 volt. På sekundærsiden styrer NCP4307AASNT1G-styringen den synkrone likerettingen. Ved å kombinere de tre IC-ene, resulterer dette i en girskiftende strømforsyning som konsekvent oppnår rundt 90 % virkningsgrad på tvers av de forskjellige PD-strømprofilene.

Figur 3 viser hovedkretsdiagrammet til en USB-C PD 3.0 PPS-nettlader basert på de tre IC-ene som leverer 65 watt (20 volt / 3,25 A).

Figur 3: I denne løsningen for USB PD-veggladere, vil FUSB15101 styre NCP1345 QR-vekslingsregulatoren med tilbakekobling på hovedsiden av den vekslende AC–DC-strømforsyningen via en optokobler. (Bildekilde: onsemi)

Programmerere starter sin egen USB PD-strømforsyningskonstruksjon ved å bruke onsemi sitt NCP1342PD65WGEVB-evalueringskort, vist på figur 4.

Figur 4: Ved å bruke evalueringskortet for veggladeren NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0, kan programmerere komme i gang med en gang. (Bildekilde: onsemi)

Lagringsspolen på dette kortet, i form av en kompakt RM8-transformator, gir 60 watt (20 volt / 3 A) utgangseffekt. Den kvasiresonante NCP1342BMDCDD1R2G-vekslingsregulatoren med tilbakekobling fungerer fra 9 til 28 volt fra bare én hjelpevikling. Den er egnet for utvikling av frakoblede (offline) strømomformere med høy ytelse og USB PD-adaptere, og den har RFF (rapid frequency foldback) som gir forbedret virkningsgrad over hele lastområdet. En integrert aktiv X2-utladningskondensator eliminerer behovet for utladningsmotstander og muliggjør et strømforbruk på under 40 milliwatt (mW) når det ikke er noen belastning.

Bruksområde 2: DC–DC-strømstyring for en USB-PD-port

I denne konstruksjonen driver FUSB15101 USB PD-styringen den firetrinns NCV81599MWTXG, en spenningsreduserende/-økende (buck/boost), opp-/nedtransformerende (step-up/step-down) DC–DC-omformerstyring. Dette gjør at en USB-C-port som ellers er begrenset til 15 watt, kan utvides til en PD-strømkilde som kan forsyne mer enn 60 watt, og som leveres av enhetens interne likestrømsforsyning eller et batteri (figur 5).

Figur 5: I denne strømstyringskonstruksjonen med DC–DC-port, styrer FUSB15101 den firetrinns DC–DC-omformerstyringen NCV81599 direkte. (Bildekilde: onsemi)

Utviklere kan spare tid og starte testing og programmering umiddelbart med NCV81599 ved å bruke FUSB3307MPX-PPS-GEVB-evalueringskortet. Denne DC–DC-strømregulatorkretsen konverterer en USB-port til en PD 3.0 PPS-strømkilde, som leverer opptil 5 A ved busspenninger fra 3,3 til 21 volt (figur 6). Kretsen er i stand til å detektere E-Marker-kabler, og den kan brukes frittstående eller kobles til testutstyr.

Figur 6: FUSB3307MPX-PPS-GEVB er et evalueringskort for NCV81599 som gjør USB-porter om til en PD 3.0 PPS-strømkilde. (Bildekilde: onsemi)

En likestrømsforsyning eller et batteri forsyner V_BAT-inngangen på FUSB3307-kortet med 4,5 til 32 volt. Kretsen håndterer regulering med konstant spenning (CV – constant voltage) eller konstant strøm (CC – constant current), og verner mot tilstander med overspenning, underspenning, kortslutning, overtemperatur og kabelfeil.

Programmering av FUSB15101

FUSB15010-fastvaren er en svært optimalisert Type-C PD-styringdriver som støtter den integrerte Arm Cortex M0+-prosessoren. Fastvaren har fleksibilitet til å håndtere nye PD-meldinger, samt flere Type-C-statusflyter. Koden er organisert på en modulær måte, noe som gjør at programkildekoden, maskinvarens abstraksjonslag, den plattformavhengig koden og USB Type-C PD-kjernefunksjonene skilles.

PD-kjernefunksjonene kan konfigureres via alternativer for prosjektbygging eller ved å endre leverandørinformasjonsfilen «vif_info.h». Kodebasen inkluderer et Eclipse-prøveprosjekt som kan kompileres ved å bruke IDE, noe som muliggjør raskere oppstart for evaluering av den frittstående styringen for Type-C PD.

Tabell 1 oppsummerer PD-profilene som støttes av FUSB15101. PDO er strømforsyningsobjektet.

Tabell 1: Her vises PD-profilene som støttes av FUSB15101. (Tabellkilde: onsemi)

Som nevnt, kan parametrene til en ladeprofil modifiseres veldig enkelt i «vif_info.h»-filen. Følgende kode viser hvordan du endrer maksimal strøm i PDO-en 4 fra 20 V / 3 A til 20 V / 3,25 A:

Nåværende PDO-verdier:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3.00 A

Nye PDO-verdier:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3,25 A

Du finner mer informasjon og instruksjoner for installering av IDE-en, samt import av fastvare og kompilering av binærfilen, i FUSB15101EVBSPG-veiledningen.

Installeringen av programmeringsverktøyene og prosedyren for engangsflashminnet, er beskrevet i UM70086-D-brukerhåndboken. 8.08.91 J-LINK EDU MINI fra Segger Microcontroller Systems er en egnet Arm Cortex-M programmerings- og feilsøkingsadapter som legger til rette for utvikling.

Styring av PD-kommunikasjon

For å verifisere kommunikasjonen mellom to USB PD-enheter, kan utviklere bruke InfineonTechnologies sin CY4500-protokollanalysator, som støtter USB PD 3.0- og USB-C-spesifikasjoner. Den utfører ikke-inntrengende testing og registrerer nøyaktige protokollmeldinger på CC-linjene. Den tilknyttede EZ-PD-analyseprogramvaren lister opp alle meldingene i en dialog mellom to USB PD-enheter og en EMCA-kabel i detalj (figur 7).

Figur 7: EZ-PD-analyseprogramvaren sporer dialogen mellom to USB PD-enheter over CC-linjene. (Bildekilde: Infineon Technologies)

Konklusjon

Selv om det er viktig å forstå det grunnleggende i USB PD-protokollen for å kunne tilpasse konstruksjoner slik at de kan få bukt med de økende strømbehovene til sluttbrukerenheter, er dette en kompleks protokoll som kan kreve omfattende programmering. For å spare tid, kan utviklere bruke forhåndsprogrammerte, svært integrerte USB PD-styringer til å øke USB-C-effekten fra 15 watt til over 100 watt. AC–DC USB-ladere, samt DC–DC USB-porter, kan forbedres med tilpasset PD-funksjonalitet ved å enkelt konfigurere PD-styringen. Bruken av evalueringskort og en PD-protokollanalysator forenkler utviklingsprosessen.