USB-C-laitteiden virransiirron nopea korottaminen 100 wattiin minimaalisella ohjelmoinnilla

USB-C (Universal Serial Bus Type-C) -portit ovat yleistyneet, ja monet käyttäjät luottavat siihen, että ne tarjoavat yhä korkeampia virtatasoja erilaisiin niihin liitettyihin laitteisiin. USB-C-spesifikaatio rajoittaa ”pelkän Type-C-laitteen” perusvirransyötön kuitenkin enintään 15 wattiin (5 volttia, 3 ampeeria (A)).

Suunnittelijat voivat ratkaista tämän rajoitteen lisäämällä USB Power Delivery (PD) -ominaisuuden ja luoda Type-C PD -laitteen, joka voi syöttää jopa 100 wattia (20 volttia, 5 A) vakiotehoalueella (SPR). Näin kehittäjät eivät enää joudu ohjelmoimaan suurella vaivalla koko USB PD -protokollaa, vaan he voivat konfiguroida helposti valmiin PD-ohjaimen ja lisätä AC/DC-latureihin ja virtaohjattuihin USB-portteihin mukautettuja ja optimoituja PD-toimintoja.

Tämä artikkeli tarjoaa ensin yleiskatsauksen PD-järjestelmien tärkeimpiin vaatimuksiin. Sen jälkeen artikkelissa esitellään onsemin PD-ohjain FUSB15101MNTWG ja näytetään, miten valmiiksi ohjelmoidun ohjaimen laiteohjelmiston konfigurointi voidaan aloittaa nopeasti käyttämällä evaluointikortteja, kehitysohjelmistoja, ohjelmointi- ja virheenkorjausadaptereja sekä PD-protokolla-analysaattoria.

Hakkurimuunnin protokollaohjatulla virran reguloinnilla

Aiemmin akkukäyttöisten laitteiden analogiset seinälaturit koostuivat vain kahdesta komponentista: muuntajasta ja tasasuuntaajasta. Nyttemmin yksinkertaistenkin elektroniikkalaitteiden virransyötöstä on tullut monimutkaista, koska siltä vaaditaan korkeampaa hyötysuhdetta, suurempaa joustavuutta ja jatkuvaa miniatyrisointia. Tämän päivän mikrokontrolleripohjaisten hakkurimuuntimien täytyy kompleksisen protokollan kautta dynaamisesti neuvotella käytettävä lähtöteho kytkettyjen älykuormien kanssa.

USB PD on yksi tällainen protokolla. Sen versio 3.1 koordinoi jopa 240 watin sähkötehoa älykkään USB Type-C -tyypin EMCA (Electronically Marked Cable Assembly) -liitäntäkaapelin kautta, mutta säilyttää samalla taaksepäinyhteensopivuuden vanhempien USB-standardien kanssa. Dynaamisen PD-virransiirron ohjaus 24-napaisen USB-C-liittimen kautta ulottuu kuitenkin paljon perinteisen nelijohtimisen USB-liitännän datajohtojen staattisia ohjausjännitteitä pidemmälle.

USB PD -laite voi toimia DFP (Downstream Facing Port) -virtalähteenä, UFP (Upstream Facing Port) -virtanieluna tai DRP (Dual Role Port) -tilassa. PD-virtalähde kytkee ylösvetovastukset sisäisesti kahteen ohjauslinjaan (CC1 ja CC2); PD-virtanielu identifioi itsensä sisäisten alasvetovastusten avulla.

Kumpaakin CC-linjaa käytetään samanaikaisesti enintään 356 bitin pituisten PD-viestien lähetykseen 300 kilohertsin (kHz) kellotaajuudella (kuva 1). Lyhyillä ohjausviesteillä koordinoidaan kahden portin välistä viestivirtaa, kun taas pidempiä dataviestejä käytetään virransyötön neuvotteluun ja sisäänrakennetun itsetestauksen (BIST) ohjaukseen tai OEM-kohtaisen sisällön lähetykseen.

Kuva 1: PD-viestirakenne voi olla dynaamisesti jopa 356 bitin pituinen. (Kuvan lähde: Cypress Semiconductor, sivuston embedded.com kautta)

Virransyötön neuvottelu PD-laitteiden välillä

USB PD 3.0 -vakiotehoalue (SPR) määrittelee useita kiinteitä jännitetasoja 5–20 voltin välillä ja tukee vain staattisia virtaprofiileja 100 wattiin asti. USB-nielulaite voi pyytää USB-virtalähteestä reaaliaikaisesti jännitettä 3–21 voltin väliltä 20 millivoltin (mV) askelin tarpeiden mukaan ohjelmoitavan virtalähdelaajennuksen (PPS) avulla.

Ohjelmoitava virtalähde yksinkertaistaa siten mobiililaitteen hakkurimuuntimen elektroniikkaa, vähentää lämmöntuottoa ja nopeuttaa latausta optimoimalla virran sovitusta. USB PD 3.1 määrittelee laajennetun tehoalueen (EPR) jopa 240 watin teholle ja käyttää säädettävää jännitelähdettä (AVS) väyläjännitteen regulointiin korkeammalla alueella 15–48 volttia.

Koska jo 3 A ylittää normaalien USB-kaapeleiden virransiirtokapasiteetin, USB Implementers Forum (USB-IF) määrää, että on käytettävä erityisiä EMCA-kaapeleita. Niissä on paksummat johdinpoikkipinta-alat ja kaapelivaipat. Kaapelin liittimiin sijoitetut sähköiset tunnistesirut ilmoittavat näistä kaapelin vahvistetuista ominaisuuksista PD-protokollan avulla. Ne vaikuttavat tällä tavalla lähde- ja nielulaitteen väliseen virransyötön neuvotteluun.

PD-kommunikaatiossa käytetään erityisiä K-koodeja viestien kuvaamiseen. Erityistä K-koodisekvenssiä, joka ilmaisee sekvenssin alun, kutsutaan nimellä SOP (Start Of Packet). Sekvenssejä on määritelty kolme: SOP, SOP’ ja SOP''. Näiden avulla DFP (virtalähde, kuten PD-verkkolatausadapteri) voi kommunikoida aloitteentekijänä jommankumman EMCA-kaapeliliittimissä olevan sähköisen tunnistesirun sekä UFP:n (USB-virtanielu) kanssa.

Kuvan 2 vuokaavio näyttää viestinvaihdon kahden EMCA-kaapelilla yhdistetyn PD-laitteen välillä onnistuneen virransyötön neuvottelun aikana.

Kuva 2: Kuvassa näkyy onnistunut virransyötön neuvottelu kahden EMCA-kaapelilla yhdistetyn USB-PD-laitteen välillä. Huomaa: Rqt = pyyntö; Ack = kuittaus. (Kuvan lähde: Cypress Semiconductor, sivuston embedded.com kautta)

Konfigurointi ohjelmoinnin sijaan

PD-protokollan kompleksisuus tarkoittaa kehittäjälle vaivalloista ohjelmointitehtävää. Nopeampi lähestymistapa on konfiguroida valmiiksi ohjelmoitu USB PD -ohjain asiakaskohtaisilla ominaisuuksilla. Esimerkki tästä on onsemin ohjain FUSB15101MNTWG. Se on pitkälle integroitu USB PD 3.1 -ohjain, joka voi ohjata AC/DC-adapterin ensiöpuolen hakkuriregulaattoria optoerottimen kautta tai ohjata suoraan DC/DC-portin virtaregulaattoria.

Tämä kokonaisratkaisu minimoi piirin kompleksisuuden optimoitujen oheislaitteiden avulla, joihin kuuluvat digitaali-analogia- ja analogia-digitaalimuuntimet, NTC-lämpötilamittaus ja NMOS-hilaohjaimet. Avoimen lähdekoodin laiteohjelmisto sovellusohjelmointirajapinnalla (API) sekä Eclipse-pohjainen integroitu kehitysympäristö (IDE) helpottavat ohjelmointia.

FUSB15101-ohjain sisältää huipputehokkaan Arm® Cortex® M0+ -prosessorin UART-liitännällä ja tukee PPS-spesifikaatiota. Se reguloi lähtöjännitettä 3,3–21 voltin välillä. Ohjain tarjoaa ohjelmoitavan vakiojännitteen (CV) ja vakiovirran (CC) reguloinnin sekä kaapelihäviöiden kompensoinnin. Se tarjoaa myös suojaustoiminnot ylijännitettä, alijännitettä, ylivirtaa ja ylikuumenemista vastaan sekä ylijännitesuojadiodit USB-C-liittimen nastoissa. PD-ohjain tukee EMCA-kaapelien sähköisten tunnistesirujen V_CONN-virtaa, ja sen virransäästö- ja lepotilat täyttävät CoC- (Certificate of Conformity) ja DOE (Design Of Experiments) -vaatimukset.

Tyypillisiin sovelluksiin kuuluvat:

• USB PD -yhteensopiva AC/DC-adapteri (katso sovellus 1)
• USB PD -yhteensopivat DC/DC-portit (katso sovellus 2)

Sovellus 1: AC/DC-hakkurivirtalähde USB PD -lähdöllä

Tässä sovelluksessa USB PD -ohjain FUSB15101 ohjaa optoerottimen kautta kvasiresonanttista (QR) flyback-hakkuriregulaattoria NCP1345Q02D1R2G AC/DC-hakkurivirtalähteen ensiöpuolella. NCP1345-regulaattori ottaa 9–38 voltin jännitteen muuntajan apukäämityksestä ja käyttää samalla toista apukäämitystä tuottamaan neljä kertaa suuremman jännitteen, jotta MOSFET-transistorille saadaan riittävä ohjausjännite alhaisesta USB-lähtöjännitteestä (3,3 volttia). Toisiopuolella NCP4307AASNT1G-ohjain ohjaa synkronista tasasuuntausta. Näiden kolmen mikropiirin yhdistäminen mahdollistaa hakkurivirtalähteen, joka saavuttaa jatkuvasti noin 90 prosentin hyötysuhteen eri PD-virtaprofiileissa.

Kuva 3 näyttää näihin kolmeen mikropiiriin perustuvan 65 wattia (20 volttia/3,25 A) tuottavan USB-C PD 3.0 PPS -verkkolaturin pääpiirikaavion.

Kuva 3: Tässä USB PD -seinälaturiratkaisussa FUSB15101 ohjaa optoerottimen kautta kvasiresonanttista (QR) flyback-hakkuriregulaattoria NCP1345 AC/DC-hakkurivirtalähteen ensiöpuolella. (Kuvan lähde: onsemi)

Ohjelmoijat saavat oman USB PD -virtalähdesovelluksensa alulle käyttämällä onsemin evaluointikorttia NCP1342PD65WGEVB, joka näytetään kuvassa 4.

Kuva 4: Ohjelmoijat pääsevät heti alkuun USB-C PD 3.0 -seinälaturin evaluointikortilla NCP1342PD65WGEVB. (Kuvan lähde: onsemi)

Tämän kortin varaajakuristimena toimii kompakti RM8-muuntaja, joka mahdollistaa 60 watin (20 volttia/3 A) lähtötehon. Kvasiresonanttinen flyback-hakkuriregulaattori NCP1342BMDCDD1R2G toimii 9–28 voltin jännitteellä vain yhden apukäämityksen kautta. Se soveltuu huipputehokkaiden verkkovirralle tarkoitettujen virtamuuntimien ja USB PD -adapterien kehittämiseen. Lisäksi regulaattorin ominaisuuksiin kuuluu RFF (Rapid Frequency Foldback), joka parantaa tehokkuutta koko kuormitusalueella. Integroitu aktiivinen X2-purkauskondensaattori poistaa purkausvastusten tarpeen ja mahdollistaa alle 40 milliwatin (mW) virrankulutuksen ilman kuormaa.

Sovellus 2: DC/DC-virtaohjain USB PD -porttia varten

Tässä sovelluksessa USB-PD-ohjain FUSB15101 ohjaa nelivaiheista jännitteenalennukseen/jännitteenkorotukseen (buck/boost) tarkoitettua DC/DC-muunninohjainta NCV81599MWTXG. Näin muutoin 15 wattiin rajoitettu USB-C-portti voidaan laajentaa PD-virtalähteeksi, joka tarjoaa yli 60 wattia ja saa virran laitteen sisäisestä DC-virtalähteestä tai akusta (kuva 5).

Kuva 5: Tässä DC/DC-portin virtaohjainsovelluksessa FUSB15101-ohjain ohjaa suoraan nelivaiheista DC/DC-muunninohjainta NCV81599. (Kuvan lähde: onsemi)

Kehittäjät voivat säästää aikaa ja aloittaa NCV81599-muunninohjaimen testauksen ja ohjelmoinnin välittömästi käyttämällä evaluointikorttia FUSB3307MPX-PPS-GEVB. Tämä DC/DC-virtaregulaattoripiiri muuntaa USB-portin PD 3.0 PPS -virtalähteeksi, joka tarjoaa jopa 5 A väyläjännitteellä 3,3–21 V (kuva 6). Piiri pystyy tunnistamaan sähköisillä tunnistesiruilla varustetut kaapelit, ja sitä voidaan käyttää joko itsenäisesti tai se voidaan kytkeä testauslaitteisiin.

Kuva 6: FUSB3307MPX-PPS-GEVB on NCV81599-muunninohjaimelle tarkoitettu evaluointikortti, joka muuttaa USB-portit PD 3.0 PPS -virtalähteeksi. (Kuvan lähde: onsemi)

DC-virtalähde tai akku syöttää FUSB3307-kortin V_BAT-tuloon 4,5–32 volttia. Piiri mahdollistaa vakiojännitteen (CV) tai vakiovirran (CC) reguloinnin ja tarjoaa suojauksen yli- ja alijännitettä, oikosulkua, ylilämpötilaa ja kaapelivikoja vastaan.

FUSB15101-ohjaimen ohjelmointi

FUSB15010-laiteohjelmisto on pitkälle optimoitu Type-C PD -ohjainajuri, joka tukee integroitua Arm Cortex M0+ -prosessoria. Laiteohjelmisto pystyy käsittelemään joustavasti uusia PD-viestejä sekä ylimääräisiä Type-C-tilavirtoja. Koodi on järjestetty modulaarisesti siten, että sovelluksen lähdekoodi, laitteiston abstraktiotaso, alustariippuvainen koodi ja USB Type-C PD -ydintoiminnot on erotettu toisistaan.

PD-ydintoiminnot ovat konfiguroitavissa projektin kehitysvaihtoehtojen kautta tai muuttamalla valmistajan informaatiotiedostoa ”vif_info.h”. Toimitettava koodi sisältää Eclipse-esimerkkiprojektin, joka voidaan kääntää integroidussa kehitysympäristössä, mikä mahdollistaa nopeamman aloituksen Type-C PD -erillisohjaimen evaluoinnille.

Taulukossa 1 on yhteenveto FUSB15101-ohjaimen tukemista PD-profiileista; PDO tarkoittaa Power Delivery Object -objektia.

Taulukko 1: Kuvassa näytetään FUSB15101-ohjaimen tukemat PD-profiilit. (Taulukon lähde: onsemi)

Kuten edellä on mainittu, latausprofiilin parametreja voidaan muuttaa hyvin helposti tiedostossa ”vif_info.h”. Seuraava koodi näyttää, miten PDO 4:n enimmäisvirta muutetaan 20 voltista/3 ampeerista 20 volttiin/3,25 ampeeriin:

Nykyiset PDO-arvot:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3,00 A

Uudet PDO-arvot:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3,25 A

FUSB15101EVBSPG-oppaasta löytyy lisätietoja ja ohjeita integroidun kehitysympäristön asentamisesta sekä laiteohjelmiston tuonnista ja binääritiedoston kääntämisestä.

Ohjelmointityökalujen asennus ja kertakirjoitusmenettely on kuvattu UM70086-D:n käyttöoppaassa. Sopiva Arm Cortex-M -ohjelmointi- ja virheenkorjausadapteri on Segger Microcontroller Systemsin kehitystyötä helpottava 8.08.91 J-LINK EDU MINI.

PD-kommunikaation tutkiminen

Kehittäjät voivat käyttää kahden USB PD -laitteen välisen kommunikaation tutkimiseen Infineon Technologies CY4500 -protokolla-analysaattoria, joka tukee USB PD 3.0- ja USB-C-spesifikaatioita. Se mahdollistaa ei-intrusiivisen testauksen ja tallentaa CC-linjojen protokollaviestit tarkasti. Siihen liittyvä EZ-PD-analyysiohjelmisto listaa yksityiskohtaisesti kaikki kahden USB PD -laitteen ja EMCA-kaapelin välisen vuoropuhelun viestit (kuva 7).

Kuva 7: EZ-PD-analyysiohjelmisto seuraa kahden USB PD -laitteen välistä vuoropuhelua CC-linjoilla. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

Yhteenveto

Vaikka USB PD -protokollan perusteet on tärkeää ymmärtää, jotta ratkaisut voidaan sovittaa loppukäyttäjälaitteiden kasvaviin virtatarpeisiin, kyseessä on kompleksinen protokolla, joka voi vaatia paljon ohjelmointia. Kehittäjät voivat säästää aikaa käyttämällä valmiiksi ohjelmoituja ja pitkälle integroituja USB PD -ohjaimia, joilla 15 watin USB-C-teho voidaan korottaa yli 100 wattiin. AC/DC USB -latureita sekä DC/DC USB -portteja voidaan laajentaa asiakaskohtaisilla PD-toiminnoilla yksinkertaisesti konfiguroimalla PD-ohjain. Evaluointikorttien ja PD-protokolla-analysaattorin käyttö helpottaa kehitysprosessia.