USB PD 3-styringer for effektforbrukere gir energi til USB Type-C-utrustninger

Proprietære enhetsladere har ikke lenge igjen før de er utdaterte, ettersom regionale regulatorer har bestemt at en felles ladeløsning, basert på en standard USB Type-C®-kabel og -kontakt skal være påkrevd. Produktutviklere som kjemper for å komme i forkant av regionale krav, slik at de kan oppfylle denne standarden, kan optimalisere enhetene sine for denne nye tidsalderen ved å ta i bruk styringer for USB PD-strømforsyninger (PD – Power Delivery) som regulerer strømforsyningen mellom enheter og ladere.

Etter desember 2024, i EU, må alle kablede, ladbare enheter som krever opptil 100 W (bærbare datamaskiner er midlertidig unntatt fra dette mandatet frem til 2026) bruke en USB Type-C-ladeport som overholder USB PD-spesifikasjonene. Andre mandater for innføring av denne standarden trer i kraft i 2025 i India og Saudi-Arabia, etterfulgt i 2026 av California.

USB Type-C alene kan bare levere 5 V ved 3 A, noe som gir totalt 15 W. For å oppnå 100 W kreves spesifikasjoner for USB PD 3.0 eller USB PD 3.1, som sikrer at Type-C-kontakter kan regulere høyere spenninger, samtidig som de overfører høyhastighetsdata.

USB PD 3.0 støtter levering av opptil 100 W og faste spenninger på 5 V, 9 V, 15 V og 20 V, med en maksimal strøm på 5 A. Den oppdaterte USB PD 3.1-spesifikasjonen har et utvidet strømområde (EPR – Extended Power Range) og avansert spenningsforsyning (AVS – Advanced Voltage Supply), noe som øker utgangseffekten til så mye som 240 W, og legger til tre nye faste spenninger på 28 V, 36 V og 48 V.

USB PD 3.x-spesifikasjonene forbedrer tidligere PD 2.0-versjoner med en økning i mengden informasjon som kan utveksles mellom en effektforbruker (enheten som mottar strøm) og en kilde (enheten som forsyner strøm) for å inkludere faktorer som kan påvirke bruken, for eksempel ladestatus for enhetens batteri, batteritemperatur, feil og overspenning.

Effekten på 100 W som leveres via USB PD 3.0, er tilstrekkelig til å lade noen bærbare datamaskiner, skjermer og til og med noen TV-er. USB PD støtter også video- og lydutgang, inkludert DisplayPort og HDMI, og dataoverføringsprotokoller som Thunderbolt 3.

Levere forbedrede utrustninger

Produktutviklere kan dra nytte av USB PD 3.x for å gi brukere en bedre opplevelse med raskere lading og dataoverføring, og enhetskompatibilitet med en enkelt kabel og kontakt. De kan også redusere e-avfallet som akkumuleres fra den forbruker- og forretningsrelaterte bruken med flere kabler og ladere for å lade flere enheter.

Teknologien gjør det mulig for konstruktører å forenkle enheter med færre porter og komponenter. I tillegg kan de redusere produksjons- og fraktkostnader ved å eliminere vekt og ekstra emballasje for ladere, samt tiden og innsatsen som kreves for å oppdatere nye enhetsspesifikke ladere.

Ved å bruke en enkelt kabel og kontakt for flere funksjoner, kan utviklere fokusere på å skape nye og forbedrede enheter som utnytter den høye effekten og datahastigheten til USB Type-C PD. De kan også forbedre brukeropplevelsen og funksjonaliteten til produktene sine med tilleggsfunksjoner som dokkingstasjoner, hubber og omformere, som utvider tilkoblingsmulighetene og kompatibiliteten til enheter.

I utviklingen av nye enheter som bruker USB PD 3.0, står produktutviklere overfor noen utfordringer, for eksempel å overholde USB PD-spesifikasjonen og sikre kompatibilitet med andre enheter og ladere.

Et annet kritisk problem er å forhindre skade fra overspenning, overstrøm eller omvendt polaritet, spesielt ettersom løsninger som bruker denne teknologien bruker mer komplekse kretser og fastvare enn tidligere generasjoner. Styringer for strømforsyninger, som støtter flere protokoller og konfigurasjoner, og evalueringskort som muliggjør rask prototyping og verifisering, bidrar til å få bukt med slike utfordringer.

Sette USB Type-C PD ut i arbeid

En viktig faktor forbundet med USB PD 3.0, er evnen til å regulere og administrere strømforsyningen mellom en effektforbruker og en strømkilde ved å bruke en standardisert protokoll. USB PD-styringer for effektforbrukere forhandler med en USB PD-kilde, for eksempel en lader, for å innhente strømprofilen til en enhet. Kompatible enheter kan be om og levere forskjellige spennings- og strømverdier i henhold til behovet og evnene deres, og dynamisk justere effektnivåer under drift.

Forhandlings- og styringsprosessen for strømforsyningen består av fire faser:

• Oppdagelse (discovery) skjer når effektforbrukeren og kilden identifiserer hverandre som USB PD-kompatible enheter, og etablerer en datakommunikasjonskanal over konfigurasjonskanalens (CC) pinner på USB Type-C-kontakten.
• Kapasitetsutveksling er når kilden identifiserer de støttede strømprofilene sine – spennings- og strømnivåer – til effektforbrukeren, som deretter ber om en profil som samsvarer med kravene sine.
• Strømkontrakt er en prosess der kilden godtar eller avviser forespørselen fra effektforbrukeren. Hvis den godkjennes, begynner kilden å forsyne den forespurte strømmen til effektforbrukeren ved hjelp av de avtalte effektparametrene.
• Oppdatering av strømregel gjør det mulig for effektforbrukeren eller kilden å starte en ny strømforhandling for å imøtekomme endringer i batterinivåer eller belastning på effektforbrukeren, eller endringer i kildens inngangseffekt.

USB PD 3.0 bruker utvidede meldinger, som styrer utvekslingen av informasjon mellom en effektforbruker og en kilde, for eksempel batteristatus, temperatur eller produsentspesifikke data. Den støtter også programmerbar strømforsyningsmodus (PPS – programmable power supply), noe som muliggjør finere styring av kildens utgangsspenning og -strøm, og sømløs veksling av strømroller mellom effektforbrukeren og kilden uten å forstyrre datakommunikasjonen.

En annen viktig egenskap ved USB PD 3.0 er omvendt lading (reverse charging), som gjør at en enhet med høyere batterikapasitet kan lade en enhet med lavere batterikapasitet, uavhengig av strømrollen deres. Så ved å for eksempel bruke den samme USB Type-C-kabelen, kan en bærbar datamaskin lade en smarttelefon, eller den samme smarttelefonen kan lade hodetelefoner, noe som er en åpenbar fordel for enhetsbrukere siden de slipper unna med en enkelt kabel som kan lade flere enheter.

Det er ikke sikkert omvendt lading er kompatibel med alle enheter eller ladere. I tillegg kan dette resultere i redusert batterilevetid for enheten som fungerer som kilde og øke kompleksiteten og kostnadene for kretskonstruksjonen. Så, i likhet med alle andre elektroniske utrustninger, må produktutviklere veie fordelene og ulempene forbundet med å implementere omvendt lading slik at de kan overholde USB PD 3.x-spesifikasjonene, og teste kompatibilitet med en rekke enheter og ladere.

USB 3-styringer for effektforbrukere

For å gi USB PD 3.x-funksjonalitet i enhetene, kan produktkonstruktører bruke dedikerte styringer for effektforbrukere som støtter protokollen og håndterer kommunikasjonen med kildeenheten.

Diodes Incorporated tilbyr svært integrerte og kostnadseffektive løsninger som gir rask lading, omvendt lading, PPS-modus og andre funksjoner i USB PD 3.x. De støtter også eldre protokoller som Qualcomm Quick Charge 4+ og Huawei FCP/SCP, som sikrer kompatibilitet med et bredt spekter av ladere og adaptere.

AP33771 (figur 1) er en USB PD 3.0-styring som har USB PD 3.0-kompatibel fastvare og et grensesnitt med en forhåndslastet strømmeny, noe som gjør den enklere å bruke. Den har én utgangskanal som kan levere opptil 27 W effekt.

Figur 1: Pinnetildelingene til AP33771-styringen for effektforbrukere. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

AP33772 (figur 2) er en USB PD 3.0-styring som bruker et I² C-grensesnitt og integrert fastvare for å regulere strøm og spenning. Dette gir konstruktører større fleksibilitet til å implementere alle PD-funksjoner for effektforbrukere. Den har også to utgangskanaler som kan levere opptil 45 W effekt, og har en integrert krets med overspenningsvern (OVP – over-voltage protection) for hver kanal som kan forhindre skade på enheten i tilfelle en lader eller kabel er defekt.

Figur 2: AP33772-styringene for effektforbrukere fra Diodes kommer i samme størrelse som AP33771, men de har forskjellige pinnetildelinger. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Diodes har også en USB PD 3.1-styring for effektforbrukere, AP33771C, som støtter EPR/AVS på opptil 28 V og SPR/PPS (SPR – Standard Power Range) på opptil 21 V.

Hver av disse styringene har lavt strømforbruk i standby-tilstand, høy virkningsgrad og funksjoner for varmebeskyttelse. De er tilgjengelige i små W-QFN4040-24-kapslinger (4 mm x 4 mm), noe som gjør dem godt egnet for kompakte og bærbare enheter.

I tillegg tilbyr Diodes to evalueringskort for USB PD 3.0-styringene sine. AP33771-EVB og AP33772-EVB er begge konstruert for lading av utrustninger ved å bruke en enhet utstyrt med Type-C-kontakt og en PD-lader eller -adapter utstyrt med Type-C-kontakt. AP33771-EVB-en bruker en enkel motstandsinnstilling for USB-PD-regulering, mens AP33772-EVB-en bruker I²C.

Konklusjon

USB Type-C er på vei til å bli den globale standarden for enhetsdatakonnektivitet. USB PD 3.x-protokollene gir produktutviklere en måte å lage utrustninger på som tilbyr mer strøm, raskere lading og bedre dataoverføring for enheter ved å bruke globalt aksepterte kontakter og kabler, noe som eliminerer behovet for enhetsspesifikke ladere. Med løsningene til Diodes Incorporated kan produktkonstruktører enkelt integrere USB PD 3.0 eller PD 3.1 i enhetene sine for å forbedre ytelsen og brukeropplevelsen.