USB PD 3 -nieluohjaimet syöttävät virtaa USB Type-C -sovelluksiin

Valmistajakohtaisten laitelaturien ikkuna on sulkeutumassa nopeasti, sillä alueelliset sääntelyviranomaiset vaativat yhteistä latausratkaisua, joka perustuu tavalliseen USB Type-C® -kaapeliin ja -liittimeen. Tuotesuunnittelijat kiirehtivät alueellisten vaatimusten edelle tämän standardin täyttämiseksi ja he voivat optimoida sovelluksensa tätä uutta aikakautta varten ottamalla käyttöön USB Power Delivery (PD) -nieluohjaimet, jotka neuvottelevat laitteiden ja latureiden välisen virransyötön.

Joulukuun 2024 jälkeen kaikkien enintään 100 W:n tehon vaativien langallisten, ladattavien laitteiden (kannettavat tietokoneet on vapautettu väliaikaisesti määräyksestä vuoteen 2026 asti) on käytettävä USB PD -spesifikaatioiden mukaista USB Type-C -latausporttia Euroopan unionissa. Muut kyseisen standardin käyttöönottoa koskevat määräykset tulevat voimaan vuonna 2025 Intiassa ja Saudi-Arabiassa ja vuonna 2026 Kaliforniassa.

USB Type-C voi yksinään siirtää vain 5 volttia 3 ampeerin virralla eli yhteensä 15 watin tehon. 100 watin saavuttaminen vaatii USB PD 3.0- tai USB PD 3.1 -spesifikaatioita, joilla varmistetaan, että Type-C-liittimet pystyvät neuvottelemaan korkeamman jännitteen ja siirtämään samalla dataa huippunopeudella.

USB PD 3.0 tukee jopa 100 W:n tehoa ja kiinteitä 5 V, 9 V, 15 V ja 20 V:n jännitteitä sekä 5 A:n enimmäisvirtaa. Päivitetty USB PD 3.1 -spesifikaatio tarjoaa laajennetun tehoalueen (EPR) ja säädettävän jännitelähteen (AVS), mikä korottaa lähtötehon jopa 240 W:iin ja lisää kolme uutta kiinteää jännitettä: 28 V, 36 V ja 48 V.

USB PD 3.x -spesifikaatiot parantavat aiempia PD 2.0 -versioita lisäämällä nielun (virtaa vastaanottava laite) ja lähteen (virtaa syöttävä laite) välillä vaihdettavien tietojen määrää niin, että ne sisältävät myös sovellukseen vaikuttavia tekijöitä, kuten laitteen akun varaustilan, akun lämpötilan, viat ja ylijännitteen.

USB PD 3.0 -spesifikaation mukainen 100 watin teho riittää joidenkin kannettavien tietokoneiden, näyttöjen ja jopa joidenkin televisioiden virransyöttöön. USB PD tukee myös video- ja äänilähtöjä, joihin kuuluvat DisplayPort ja HDMI, sekä tiedonsiirtoprotokollia, kuten Thunderbolt 3.

Parannettujen sovellusten tarjoaminen

Tuotesuunnittelijat voivat hyödyntää USB PD 3.x -spesifikaatiota tarjotakseen käyttäjille paremman käyttökokemuksen nopeammalla latauksella ja tiedonsiirrolla sekä laitteiden yhteensopivuuden yhdellä kaapelilla ja liittimellä. He voivat sanoa vähentävänsä sähkö- ja elektroniikkaromua, jota kertyy, kun kuluttajat ja yritykset käyttävät erilaisia kaapeleita ja latureita mitä erilaisimpien laitteiden lataamiseen.

Tämä teknologia mahdollistaa ratkaisuiden yksinkertaistamisen käyttämällä vähemmän portteja ja komponentteja. Lisäksi suunnittelijat voivat vähentää valmistus- ja toimituskustannuksia eliminoimalla latureiden painon ja vähentää pakkausmateriaalin määrää. Samalla uusien laitekohtaisten latureiden päivittämiseen tarvittava aika ja vaiva voidaan poistaa.

Käyttämällä useissa toiminnoissa yhtä kaapelia ja liitintä suunnittelijat voivat keskittyä luomaan uusia ja parempia sovelluksia, jotka hyödyntävät USB Type-C PD -spesifikaation korkeaa tehoa ja tiedonsiirtonopeutta. Suunnittelijat voivat myös parantaa tuotteiden käyttökokemusta ja toiminnallisuutta sellaisilla lisäominaisuuksilla kuten telakointiasemilla, keskittimillä ja muuntimilla, jotka laajentavat laitteiden liitettävyyttä ja yhteensopivuutta.

Kun tuotesuunnittelijat kehittävät uusia USB PD 3.0 -tekniikkaa hyödyntäviä sovelluksia, he kohtaavat sellaisia haasteita kuten USB PD -spesifikaation noudattamisen ja yhteentoimivuuden varmistamisen muiden laitteiden ja laturien kanssa.

Ylijännitteen, ylivirran tai käänteisen polariteetin aiheuttamien vahinkojen tai loukkaantumisten estäminen on toinen kriittinen kysymys, varsinkin kun tätä tekniikkaa käyttävissä ratkaisuissa käytetään aiempia sukupolvia kompleksisempia virtapiirejä ja laiteohjelmistoja. Näiden haasteiden voittamisessa auttavat virransyöttöohjaimet, jotka tukevat useita protokollia ja konfiguraatioita, sekä arviointialustat, jotka mahdollistavat nopean prototyyppien kehittämisen ja varmennuksen.

USB Type-C PD -teknologian käyttöönotto

USB PD 3.0 -tekniikan avaintekijä on kyky neuvotella ja hallita virransyöttöä nielun ja virtalähteen välillä standardoidun protokollan avulla. USB PD -nieluohjaimet neuvottelevat USB PD -lähteen, esimerkiksi laturin, kanssa laitteen virtaprofiilin saamiseksi. Yhteensopivat laitteet voivat pyytää ja syöttää erilaisia jännitteitä ja virtoja laitteen tarpeiden ja kykyjen mukaan sekä säätää tehotasoja dynaamisesti käytön aikana.

Virransyötön neuvottelu- ja hallintaprosessi koostuu neljästä vaiheesta:

• Löytäminen tapahtuu, kun nielu ja lähde tunnistavat toisensa USB PD -yhteensopiviksi laitteiksi ja luovat tiedonsiirtokanavan USB Type-C -liittimen konfigurointikanavan (CC) nastojen kautta.
• Kykyjen vaihto tapahtuu, kun lähde ilmoittaa sen tukemat tehoprofiilit – jännite- ja virtatasot – nielulle, joka sitten pyytää laitteen vaatimuksia vastaavaa profiilia.
• Tehosopimus on prosessi, jossa lähde hyväksyy tai hylkää nielun pyynnön. Jos sopimus hyväksytään, lähde alkaa syöttää pyydettyä tehoa nielulle sovittuja tehoparametreja käyttäen.
• Virransyöttösääntöjen päivitys mahdollistaa sen, että nielu tai lähde voi aloittaa uuden virransyötön neuvottelun akun varaustason tai nielun kuormituksen muutosten tai lähteen syöttötehon muutosten perusteella.

USB PD 3.0 käyttää laajennettuja viestejä, jotka ohjaavat nielun ja lähteen välistä tiedonvaihtoa, esimerkiksi akun tilaa, lämpötilaa tai valmistajakohtaisia tietoja. Se tukee myös ohjelmoitavaa virtalähdetilaa (PPS), joka mahdollistaa lähteen lähtöjännitteen ja -virran hienojakoisemman ohjauksen sekä virtaroolien saumattoman vaihtamisen nielun ja lähteen välillä tiedonsiirtoa häiritsemättä.

Toinen USB PD 3.0 -tekniikan keskeinen ominaisuus on käänteislataus, jonka ansiosta laite, jolla on suurempi akkukapasiteetti, voi ladata laitetta, jolla on pienempi akkukapasiteetti. Tämä on mahdollista riippumatta laitteiden roolista virransyötössä. Näin esimerkiksi kannettava tietokone voi ladata älypuhelinta tai sama älypuhelin voi ladata kuulokkeita samalla USB Type-C -kaapelilla. Tämä on ilmiselvä etu laitteiden käyttäjille, jotka voivat käyttää yhtä kaapelia useiden laitteiden lataamiseen.

Käänteinen lataus ei välttämättä ole yhteensopiva kaikkien laitteiden tai latureiden kanssa. Lisäksi se voi heikentää lähteenä toimivan laitteen akun käyttöikää ja lisätä piirisuunnittelun kompleksisuutta ja kustannuksia. Kuten kaikissa elektroniikkasovelluksissa, tuotesuunnittelijoiden täytyy punnita käänteisen latauksen toteuttamisen aiheuttamia haittoja varmistaakseen, että ne noudattavat USB PD 3.x -spesifikaatioita, ja testata yhteentoimivuutta erilaisten laitteiden ja latureiden kanssa.

USB 3 -nieluohjaimet

Tuotesuunnittelijat voivat alkaa käyttämään laitteissaan USB PD 3.x -toimintoja käyttämällä dedikoituja nieluohjaimia, jotka tukevat protokollaa ja hoitavat tiedonsiirron lähdelaitteen kanssa.

Diodes Incorporated tarjoaa korkeasti integroituja ja kustannustehokkaita ratkaisuja, jotka mahdollistavat pikalatauksen, käänteislatauksen, PPS-tilan ja muita USB PD 3.x -ominaisuuksia. Ne tukevat myös vanhempia protokollia, kuten Qualcomm Quick Charge 4+ ja Huawei FCP/SCP, ja takaavat yhteensopivuuden monenlaisten latureiden ja sovittimien kanssa.

AP33771 (kuva 1) on USB PD 3.0 -ohjain, jonka ominaisuuksiin kuuluvat USB PD 3.0 -yhteensopiva laiteohjelmisto ja valmiiksi asennetulla virtavalikolla varustettu käyttöliittymä, mikä yksinkertaistaa sen käyttöä. Se tarjoaa yhden lähtökanavan, joka voi syöttää jopa 27 watin tehon.

Kuva 1: AP33771-nieluohjaimen nastajärjestys. (Kuvan lähde: Diodes Incorporated)

AP33772 (kuva 2) on USB PD 3.0 -ohjain, joka käyttää I²C-rajapintaa ja sisäänrakennettua laiteohjelmistoa virran ja jännitteen neuvotteluun. Tämä tarjoaa suunnittelijoille enemmän joustavuutta kaikkien PD-nielutoimintojen toteuttamiseen. Se tarjoaa myös kaksi lähtökanavaa, jotka voivat syöttää jopa 45 watin tehon, ja sisäänrakennetun ylijännitesuojapiirin (OVP) kummallekin kanavalle, mikä voi estää laitteen vaurioitumisen, jos laturi tai kaapeli on viallinen.

Kuva 2: Diodes AP33772 -nieluohjain käyttää samankokoista koteloa kuin AP33771, mutta sillä on eri nastajärjestys. (Kuvan lähde: Diodes Incorporated)

Diodes tarjoaa myös USB PD 3.1 -nieluohjaimen AP33771C, joka tukee EPR/AVS-ominaisuuksia (maks. 28 V) ja vakiotehoaluetta (SPR) / PPS-tilaa (maks. 21 V).

Jokainen näistä ohjaimista tarjoaa alhaisen virrankulutuksen valmiustilassa, korkean hyötysuhteen ja lämpösuojaominaisuudet. Ne ovat saatavilla pienikokoisissa W-QFN4040-24 (4 mm x 4 mm) -koteloissa ja soveltuvat siten kompakteihin ja kannettaviin laitteisiin.

Lisäksi Diodes tarjoaa USB PD 3.0 -ohjaimille kaksi arviointialustaa. AP33771-EVB ja AP33772-EVB on kumpikin suunniteltu lataussovelluksiin, joissa laite käyttää Type-C-liitintä ja samoin PD-laturi tai -sovitin käyttää Type-C-liitintä. AP33771-EVB-arviointialusta käyttää yksinkertaista vastusasetusta USB-PD-neuvotteluun, kun taas AP33772-EVB käyttää I²C-rajapintaa.

Yhteenveto

USB Type-C:stä on tulossa maailmanlaajuinen standardi laitteiden dataliitännöille. USB PD 3.x -protokollat antavat tuotesuunnittelijoille väylän luoda sovelluksia, jotka tarjoavat laitteille enemmän virtaa, nopeamman latauksen ja paremman tiedonsiirron maailmanlaajuisesti hyväksyttyjen liittimien ja kaapeleiden avulla, mikä poistaa laitekohtaisten latureiden tarpeen. Diodes Incorporated -yrityksen ratkaisut mahdollistavat USB PD 3.0- tai PD 3.1- tekniikan helpon integroinnin laitteisiin suorituskyvyn tehostamiseksi ja käyttäjäkokemuksen parantamiseksi.