Bruk en USB-C-ladestyring til å raskt implementere hurtiglading uten fastvare

Trenden mot større skjermer, økt ytelse og høyere datagjennomstrømning i 5G-smarttelefoner, driver et behov for større batterikapasitet med mulighet for hurtiglading. Utfordringen for konstruktører er å implementere ny teknologi i stedet for konvensjonelle lademetoder som introduserer ineffektivitet som kan føre til overoppheting ved strømnivåene som er nødvendig for å oppfylle de stadig mer krevende forbrukerforventningene til hurtiglading.

Innføringen av den programmerbare strømforsyningen (PPS – Programmable Power Supply) i USB Type-C® (USB-C) Power Delivery (PD) 3.0 bidrar til å gi en effektiv løsning, men den nødvendige fastvareutviklingen kan fortsatt forsinke produktleveransen.

Denne artikkelen tar for seg problemene forbundet med hurtigladende 5G-telefoner og hvordan USB-C PD 3.0 PPS kan hjelpe konstruktører med å effektivt oppfylle kravene til stadig raskere lading av større batterier. Den introduserer og viser deretter hvordan utviklere kan bruke en svært integrert ON Semiconductor USB-C-styring som implementerer USB-C PD 3.0 PPS i en endelig tilstandsmaskin (FSM – finite state machine). Dette eliminerer behovet for utvikling av fastvare, og akselererer dermed implementeringen av hurtiglading for neste generasjons ladere.

Kraftigere smarttelefoner bringer nye utfordringer til hurtigladingsadaptere

5G-smarttelefoner forventes å utgjøre over 50 % av de totale smarttelefonforsendelsene innen 2023, ifølge markedsanalytikere. Når disse telefonene brukes til å dra nytte av 5G-tjenester, vil imidlertid brukere oppdage at den eksisterende grunnlinjen av telefonladere og ladestasjoner ikke er i stand til å håndtere kravene til hurtiglading av denne nye generasjonen av smarttelefoner.

Slik vi allerede har sett i 5G-telefoner som Samsung S20 Ultra 5G, tilbyr disse sofistikerte enhetene større skjermer, i tillegg til økt prosessorkapasitet og langt større datagjennomstrømning enn det som er tilgjengelig med tidligere generasjoner telefoner. For å fungere skikkelig med de større skjermene og det tilsvarende høyere strømforbruket, kommer tilgjengelige 5G-telefoner allerede med større batterier. Samsung S20 Ultra 5G har for eksempel en 6,9-tommers skjerm og et batteri på 5000 mAh (milliamperetimer) – det er 25 % større kapasitet enn den forrige modellen.

Selv om forbrukere forventer den lengre batterilevetiden som kommer med disse batteriene med større kapasitet, forventer de også at ladetidene blir enda kortere – i stedet for 25 % lengre. For produsenter som ønsker å møte den økende etterspørselen etter ladestasjoner i kjøretøyer, hjem og kontorer, blir behovet for å redusere ladetiden for batterier med høyere kapasitet en betydelig utfordring på grunn av begrensningene i selve batteriene.

Produsenter av litium-ion-batterier (li-ion) spesifiserer strenge terskler for ladestrøm og -spenning. Et konvensjonelt litium-ion-batteri med en klassifisering på 1000 mAh er vanligvis merket for en ladehastighet på 0,7 C, eller en ladestrøm på 700 mA. For et fullstendig tomt batteri på 5000 mAh, vil en ladehastighet på 0,7 C (eller en ladestrøm på 3500 mA) kreve ca. 45 minutter å nå en ladetilstand på bare 50 %.

Mer avansert battericelleteknologi kan støtte ladehastigheter som er større enn 1 C, men både laderen og den ladede enheten må imøtekomme dramatisk høyere strømnivåer. For eksempel vil et batteri på 5000 mAh som lades med en høyere hastighet enn 1,5 C kun trenge ca. 22 minutter å lade fra 0 % til 50 %, men ladestrømmen på 7,5 A (ampere) kan føre til overbelastning på komponenter og generere overdreven termisk belastning selv i svært effektive ladesystemer. Med den brede aksepten av USB-C som bransjestandarden for strøm og annen funksjonalitet, vil faktisk en kompatibel lader være begrenset på grunn av den maksimale strømmen den kan levere over en USB-C-kabel. Maksimal strøm er 5 A for USB-C-kabler som inneholder en emarker-IC som gir kabelinformasjon til tilkoblede enheter. (Maksimal strøm for ikke-emarker-kabler er 3 A).

Produsenter av mobile enheter kan selvfølgelig arbeide rundt denne begrensningen ved å sette inn en matepumpe mellom forsyningsinngangen og batteriladekretsen. For å støtte et ladesystem på 7,5 A, for eksempel, kan reiseadapteren levere 10 V (volt) ved 4 A, som er avhengig av en typisk dele-på-to-ladepumpe for å forsyne 5 V ved ca. 8 A til ladekretsen. Denne tilnærmingen gjør det mulig for en reiseadapter å øke USB-C-spenningen (VBUS) og samtidig opprettholde et strømnivå som er kompatibelt med USB-C.

Økt ladestrøm krever mer effektiv styring

Støtte for VBUS-nivåer større enn 5 V har muliggjort bruken av denne tilnærmingen med høy spenning og lav strøm. USB PD 2.0-spesifikasjonen definerer en serie faste Power Delivery-objekter (PDO) som spesifiserer kombinasjoner av faste spenningsnivåer (5, 9, 15 og 20 V) og strømnivåer (3 eller 5 A).

Selv om USB PD 2.0 faste PDO-er muliggjør høyere ladestrøm, kan konfigureringen av ladespenning og -strøm til faste nivåer som er for høye eller for lave resultere i ineffektiv lading, uakseptable termiske belastninger og stress på komponenter. I praksis opererer ladekretser med optimal effektivitet når inngangsspenningen (forsynt av USB-C VBUS) er litt over utgangsspenningen (batterispenning). Fordi batterispenningen endres kontinuerlig under normal drift, er det imidlertid utfordrende å opprettholde denne optimale ladeeffektiviteten. Etter hvert som batteriet utlades, vil forskjellen mellom batterispenning og USB-C-ladespenning (VBUS) vokse, noe som senker ladeeffektiviteten. Vekselsvis, når batteriet blir ladet, må ladekretsen redusere ladestrømmen for å beskytte batteriet.

Uten muligheten til å direkte redusere ladenivåene som forsynes av reiseadapteren, vil effekttapet øke, noe som reduserer effektiviteten og generere varme. Som et resultat endres det optimale ladenivået kontinuerlig, ofte i trinnvise mengder, noe som krever et tilsvarende trinnvis styringsnivå av ladespenning og -strøm for å oppnå maksimal effektivitet.

Slik forbedrer USB-C PD 3.0 PPS effektiviteten

USB-C PD 3.0 PPS er utviklet for å håndtere det økende behovet for mer effektiv lading ved høyere ladestrøm, og gjør det mulig for enheten som lades (effektopptaket) å be laderen (kilden) om å øke eller redusere ladespenningen og -strømmen i mV- og mA-trinn som er annonsert i utvidede PDO-er. Ved hjelp av denne funksjonen kan et effektopptak justere kildespenningen og -strømmen for å optimalisere ladeeffektiviteten.

Innføringen av PPS endrer dramatisk hvordan ladeprosessen fungerer. Tidligere, både styrte og aktiverte kildeladeren ladealgoritmen. Med PPS skiftes styringen av ladealgoritmen til effektopptaket, noe som krever at kilden utfører algoritmen i henhold til effektopptakets instrukser.

Med PPS kommuniserer en smarttelefon eller et annet effektopptak med en ladekilde for å optimalisere strømforsyningen, og når frem til en gjensidig akseptabel PD-«kontrakt» via en forhandlingsprotokoll som innebærer en kort utveksling, på følgende måte:

1. Kilden oppdager om den tilkoblede kabelen er kompatibel med 5 A
2. Kilden annonserer sin kildespenning og strømkapasitet slik det er beskrevet i opptil syv PDO-er
3. Effektopptaket anmoder om en av de annonserte PDO-ene
4. Kilden godtar den anmodede PDO-en
5. Kilden forsyner effekt med spennings- og strømnivåer som er avtalt

Avanserte mobile enheter, slik som Samsung 5G-telefonen som ble nevnt tidligere, bruker denne funksjonen til å levere hurtiglading via kompatible ladere. For produsenter som konstruerer hurtigladende reiseadaptere og bygger ladestasjoner inn i andre produkter, vil implementeringen av denne typen ladeprotokoll vanligvis kreve utvikling av styreenhet-fastvare som er i stand til å utføre protokollen og betjene tilhørende strømenheter. For en veletablert standard som USB-C PD PPS, tilbyr imidlertid en FSM-løsning et effektivt alternativ, og eliminerer behovet for utvikling av fastvare som kan forsinke den endelige produktleveransen. Ved hjelp av en FSM-implementering av USB-C PD 3.0, som omfatter PPS, gjør ON Semiconductor sin adaptive kildeladestyring, FUSB3307, utviklingen av ladere som er i stand til å oppfylle kravene til hurtiglading av neste generasjons smarttelefoner og andre mobile enheter med høykapasitetsbatterier, raskere.

Integrert styring for USB-C PD 3.0-kompatible hurtigladere

ON Semiconductors FUSB3307 er en integrert strømkildestyring som gjør det mulig å implementere USB-C PD 3.0 PPS uten å bruke en ekstern prosessor. Kombinert med kabeldeteksjon, lastportdriver, flere beskyttelsesfunksjoner og konstantspenning (CV – constant voltage)- og konstantstrøm (CC – constant current)-regulering, integrerer enheten alle lagene for PD 3.0-enhetsretningslinjestyring (Device Policy Manager), retningslinjemotor (Policy Engine), protokoll og PHY i maskinvaren.

FUSB3307 er konstruert for å støtte ladere med både vekselstrøm/likestrøm (AC/DC) og likestrøm/likestrøm (DC/DC), og kan gi et komplett sett med responser som er hensiktsmessige for en PD-strømkilde. Som et resultat kan konstruktører implementere en USB-C PD 3.0-kompatibel forsyningskilde med FUSB3307 og relativt få andre enheter og komponenter.

Når den er koblet til et effektopptak, detekterer FUSB3307 automatisk funksjonene til effektopptaket og tilkoblingskabelen, og vil annonsere funksjonene i henhold til USB-C-spesifikasjoner. Når effektopptaket responderer med valget av en støttet PDO, vil FUSB3307 aktivere VBUS og styringsstrømkretser for å sikre at den anmodede ladespenningen og strømnivåene leveres til effektopptaket.

Fordi FUSB3307 integrerer et komplett sett med styringsfunksjonalitet, forblir de grunnleggende prinsippene for drift begrepsmessig de samme for både vekselstrøm/likestrøm- og likestrøm/likestrøm-laderkonstruksjon. Som respons på kommandoer fra effektopptaket, bruker FUSB3307 i kilden sin CATH-utgangspinne til å drive et reguleringssignal til kildens effekttrinn. Under lading overvåker FUSB3307 ladespenningen ved å bruke VFB-pinnen og ladestrømmen som detekteres over en følemotstand ved å bruke IS+/IS-pinnene. Disse overvåkede nivåene mates igjen inn i interne spenningssløyfe- og strømsløyfe-feilkretser bundet til pinnene for spenning (VFB) og strøm (IFB). Disse signalene arbeider igjen for å styre CATH-pinnen for CV- og CC-styring. Andre pinner i FUSB3307 sin 14-pinners integrerte kretspakke med liten kontur (SOIC – small outline integrated circuit) støtter lastportdriveren, USB-C-kontaktgrensesnittet og beskyttelsesfunksjonene.

FUSB3307-kildestyringen forenkler laderens konstruksjon

Konstruksjoner for hver ladertype vil selvsagt bruke forskjellige konfigurasjoner for den primære CATH-utgangen, VFB-inngangen og andre pinner. I en vekselstrøm/likestrøm-vegglader eller -adapter, vil FUSB3307 overvåke spenning og strøm på sekundærsiden og drive styringsregulering på primærsiden (figur 1).

Figur 1: I en vekselstrøm/likestrøm-konstruksjon for en vegglader eller adapter, responderer FUSB3307 på kommandoer fra et effektopptak for forskjellige ladespenninger ved å styre PWM-styringen gjennom en isolerende optokobler. (Bildekilde: ON Semiconductor)

I denne ladekonstruksjonen vil FUSB3307 CATH-utgangspinnen vanligvis kobles til en optokoblerkatode på sekundærsiden for å levere et reguleringssignal til en pulsbreddemodulasjon (PWM)-styring på primærsiden, for eksempel ON Semiconductor NCP1568. På sekundærsiden vil spenningen og strømfølingsinngangene på FUSB3307 overvåke utgangen fra en synkron likeretterstyring, for eksempel ON Semiconductor NCP4308.

I en likestrøm/likestrøm-laderkonstruksjon som brukes i bilindustrien, for eksempel, styrer FUSB3307 likestrøm/likestrøm-styringen direkte. Her er reguleringssignalet til FUSB3307 CATH koblet til kompensasjon (COMP)-pinnen til en likestrøm/likestrøm-styring, for eksempel ON Semiconductor NCV81599 (figur 2).

Figur 2: I en likestrøm/likestrøm-laderkonstruksjon for en billader, styrer FUSB3307 spenningsutgangen til en likestrøm/likestrøm-styring direkte, og hever eller senker utgangsverdien i henhold til kommandoen fra et effektopptak, for eksempel en 5G-telefon eller andre mobile enheter. (Bildekilde: ON Semiconductor)

ON Semiconductor implementerer denne spesifikke likestrøm/likestrøm-laderen i sitt FUSB3307MX-PPS-GEVB-evalueringskort for FUSB3307. Kortet er konstruert for å operere fra én enkelt likestrømsforsyning, og det gir en komplett ladekilde som er i samsvar med USB PD 3.0 med PPS, og leverer 5 A med strøm (maks.) på VBUS-nivåer fra standardens minimum 3,3 V til maksimum 21 V.

Evalueringskortet gjør det mulig for utviklere å utforske FUSB3307-samhandling med USB PD 3.0-kompatible enheter, samt eldre USB PD 2.0-enheter. Utviklere kan umiddelbart begynne å utforske hurtigladingsprosessen ved å overvåke VBUS-spenning og -strøm levert av kortet til en USB-C PD-kompatibel enhet, for eksempel en bærbar datamaskin eller smarttelefon.

Denne tilnærmingen gir spesiell innsikt i FUSB3307 sin evne til å samhandle med en standard USB PD 3.0 5G-telefon, i tillegg til telefonens bruk av USB PD 3.0 PPS-protokollen for å optimalisere ladespenningen og -strømmen. I én demonstrasjon av denne funksjonaliteten ^[1], sender en standard Samsung S20 Ultra 5G ut en rekke kommandoer til FUSB3307MX-PPS-GEVB-evalueringskortet for å endre ladespenningen og -strømmen i både store og små trinn (figur 3).

Figur 3: ON Semiconductor FUSB3307MX-PPS-GEVB-evalueringskortet demonstrerer FUSB3307 sin evne til å respondere på en standard 5G-telefons kommandoer for å finjustere ladespenningen og -strømmen. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Etter at kortet og telefonen er koblet til i denne demonstrasjonen, velger 5G-telefonen grunnlinje-PDO-en (5,00 V og maks. 5,00 A), slik det er vist i de første 10 sekundene av figuren. I denne fasen er ladespenningen (VBUS) 5 V og 5G-telefonen er kompatibel med et effektopptak på rundt 2 A ladestrøm (IBUS). 5G-telefonen anmoder deretter om en utvidet PDO som erklærer kildens evne til å forsyne 8 V ved 4 A. FUSB3307 samsvarer med anmodningen, og endringen er umiddelbar: VBUS hopper til 8 V som anmodet og IBUS viser en gradvis økning mens 5G-telefonen trapper opp den økte IBUS-strømmen.

Etter dette krappe hoppet i VBUS, blir den trinnvise økningen i ladeeffekt som er mulig med PPS, tydelig. 5G-telefonen anmoder om en 40 mV (millivolt) økning i VBUS omtrent hvert 210. ms (millisekund), noe som gradvis øker VBUS til enda høyere nivåer. Når IBUS når 4 A (stiplet grønn linje i figuren), bruker FUSB3307 den standard PPS-protokollen til å utstede en varslingsmelding som varsler 5G-telefonen om at den anmodede strømgrensen er nådd. 5G-telefonen fortsetter å sende anmodninger om ytterligere økninger i VBUS i trinn på 40 mV, og når til slutt 9,8 V. I daglig bruk kan denne typen adaptiv kildeladefunksjon oppnå den maksimale ladeeffektiviteten som er påkrevd for rask lading uten overoppheting eller på annen måte kompromittere effektopptaket.

Ved hjelp av ON Semiconductor FUSB3307MX-PPS-GEVB-evalueringskortet kan utviklere umiddelbart utforske bruken av USB-C PD i eksisterende enheter og utvide kortets tilhørende referansekonstruksjon for å implementere tilpasset hurtiglading i enheter i samsvar med USB PD 3.0. Det beste av alt er at implementeringen ikke krever utvikling av fastvare. Med FUSB3307 bruker utviklere velkjente strømforsyningsteknikker til å bygge adaptere som er i stand til å dra full nytte av hurtigladingsmulighetene til neste generasjons 5G-telefoner og andre kompatible enheter.

Konklusjon

Selv om 5G-telefoner tilbyr et vell av nye funksjoner og muligheter til brukere, er disse batteriene med større kapasitet, som trengs for å støtte disse enhetene, en utfordring for konstruktører. Særlig må de sikre at reiseadaptere og ladestasjoner leverer hurtiglading uten å overopphete telefonen.

Med sine fullt kompatible USB PD 3.0 PPS-funksjoner – og ingen behov for utvikling av fastvare – tilbyr de adaptive ladestyringene FUSB3307 fra ON Semiconductors en umiddelbar konstruksjonsløsning. Ved å bruke denne styringen i kombinasjon med kjente strømforsyningsenheter og -komponenter, kan utviklere raskt implementere adaptere som er i stand til å støtte en raskt ekspanderende grunnlinje av USB PD 3.0-kapable 5G-telefoner og andre mobile enheter.

Referanse

1. Konvergeringen mellom 5G, hurtiglading og USB-C-programmerbare strømforsyninger