Toteuta pikalataus nopeasti käyttämällä USB-C-latausohjainta ilman laiteohjelmistoa

5G-älypuhelimien suuntaus kohti suurempia näyttöjä, parempaa suorituskykyä ja suurempaa tiedonsiirtonopeutta edellyttää suurempaa akkukapasiteettia ja nopeaa latausta. Suunnittelijoiden haasteena on jättää tavanomaiset latausmenetelmät, jotka aiheuttavat tehottomuuksia ja jotka voivat johtaa ylikuumenemiseen tehotasoilla, joita tarvitaan kuluttajien yhä vaativampien pikalatausodotusten täyttämiseksi.

USB Type-C® (USB-C) Power Delivery (PD) 3.0 -standardiin lisättiin ohjelmoitava virtalähde (PPS), joka voi auttaa tehokkaan ratkaisun tarjoamisessa, mutta tarvittava laiteohjelmistokehitys voi yhä hidastaa tuotteen toimitusta.

Tässä artikkelissa kuvataan 5G-puhelinten pikalataukseen liittyviä ongelmia ja sitä, miten USB-C PD 3.0 PPS voi auttaa suunnittelijoita täyttämään tehokkaasti suurempien akkujen yhä nopeampaa latausta koskevat vaatimukset. Sen jälkeen siinä esitellään erittäin integroitu ON Semiconductor USB-C -ohjain, joka toteuttaa USB-C PD 3.0 PPS -virtalähteen äärellisen tilakoneen (FSM) avulla ja näytetään, miten kehittäjät voivat käyttää sitä. Tällöin laiteohjelmistoa ei tarvitse kehittää, mikä nopeuttaa pikalatauksen käyttöönottoa seuraavan sukupolven latureissa.

Tehokkaammat älypuhelimet tuovat uusia haasteita pikalataussovittimille

Markkina-analyytikkojen mukaan 5G-älypuhelinten osuuden odotetaan muodostavan yli 50 prosenttia älypuhelinten kokonaistoimituksista vuoteen 2023 mennessä. Kun käyttäjät kuitenkin hyödyntävät näillä puhelimilla 5G-palveluita, he huomaavat, että nykyiset puhelinlaturit ja latausasemat eivät sovi tämän uuden älypuhelinsukupolven vaatimuksiin nopean lataamisen suhteen.

Kuten 5G-puhelimissa (esimerkkinä Samsung S20 Ultra 5G) on jo nähty, nämä sofistikoituneet laitteet tarjoavat suuremmat näytöt sekä paremman prosessointikyvyn ja paljon suuremman tiedonsiirtonopeuden kuin aikaisemman sukupolven puhelimet. Saatavilla olevissa 5G-puhelimissa on jo nyt suuremmat akut suurempien näyttöjen ja vastaavasti suuremman virrankulutuksen vuoksi. Esimerkiksi Samsung S20 Ultra 5G -puhelimessa on 6,9-tuumainen näyttö ja 5 000 milliampeeritunnin (mAh) akku. Tämä on 25 prosenttia suurempi kapasiteetti kuin edellisessä mallissa.

Vaikka kuluttajat odottavat, että akkujen kesto pitenee suurempikapasiteettisten akkujen ansiosta, he odottavat myös, että latausajat lyhenevät entisestään, sen sijaan että ne pitenisivät 25 prosenttia. Valmistajat pyrkivät vastaamaan ajoneuvojen, kotien ja toimistojen latausasemien kasvavaan kysyntään ja tarve lyhentää suurempikapasiteettisten akkujen latausaikaa muodostuu merkittäväksi haasteeksi, kun otetaan huomioon itse akkujen rajoitukset.

Litiumioniakkujen (Li-ion) valmistajat määrittelevät tiukat raja-arvot latausvirralle ja -jännitteelle. Perinteinen 1 000 mAh:n litiumioniakku on tyypillisesti mitoitettu 0,7 C:n latausnopeudelle eli 700 mA:n latausvirralle. Täysin tyhjentyneellä 5 000 mAh:n akulla 0,7 C:n latausnopeus (tai 3 500 mA:n latausvirta) vaatisi noin 45 minuuttia pelkästään 50 %:n varaustilan saavuttamiseen.

Kehittyneemmät akkukennoteknologiat voivat tukea yli 1 C:n latausnopeuksia, mutta sekä laturin että ladattavan laitteen on tuettava huomattavasti korkeampia tehotasoja. Esimerkiksi korkeammalla 1,5 C:n latausnopeudella ladattava 5 000 mAh:n akku tarvitsisi vain noin 22 minuuttia latautuakseen 0 %:sta 50 %:iin, mutta 7,5 ampeerin (A) latausvirta voisi rasittaa komponentteja ja aiheuttaa liiallista lämpökuormaa jopa erittäin tehokkaissa latausjärjestelmissä. USB-C on itse asiassa laajalti hyväksytty alan standardiliitännäksi virransyöttöä ja muita toimintoja varten, jolloin yhteensopivan laturin enimmäisvirtaa rajoittaa se, kuinka paljon se voi syöttää virtaa USB-C-kaapelin kautta. Emarker-mikropiiri tarjoaa kaapelitiedot liitetyille laitteille ja tällaista piiriä käyttävien USB-C-kaapelien enimmäisvirta on 5 A (Ilman emarker-piiriä kaapeleiden enimmäisvirta on 3 A).

Mobiililaitevalmistajat voivat tietysti ratkaista tämän rajoitteen sijoittamalla virtalähdetulon ja akun latauspiirin väliin latauspumpun. Matkasovitin voisi esimerkiksi tukea 7,5 A:n latausjärjestelmää syöttämällä 10 volttia 4 A:n virralla , jolloin tyypillinen jaa-kahdella-latauspumppu syöttäisi latauspiiriin 5 V noin 8 A:n virralla. Tämän lähestymistavan ansiosta matkasovitin voi nostaa USB-C-jännitettä (VBUS) säilyttäen samalla virran USB-C-yhteensopivalla tasolla.

Korkeampi latausteho edellyttää tehokkaampaa ohjausta

Tuki yli 5 voltin VBUS-tasoille on mahdollistanut tämän korkeajännitteisen ja pienivirtaisen lähestymistavan käytön. USB PD 2.0 -spesifikaatio määrittelee joukon kiinteitä virransyöttöobjekteja (PDO), jotka määrittelevät kiinteiden jännitetasojen (5, 9, 15 ja 20 volttia) ja virtojen (3 tai 5 A) yhdistelmät.

Vaikka USB PD 2.0:n kiinteät PDO:t mahdollistavat korkeamman lataustehon, latausjännitteen ja -virran asettaminen liian korkeisiin tai alhaisiin kiinteisiin arvoihin voi johtaa heikkotehoiseen lataukseen, kohtuuttomaan lämpökuormitukseen ja komponenttien rasittumiseen. Käytännössä latauspiirit toimivat optimaalisella tehokkuudella, kun niiden syöttöjännite (USB-C VBUS) on hieman lähtöjännitettä korkeampi (akun jännite). Koska akun jännite kuitenkin muuttuu jatkuvasti normaalin käytön aikana, tämän optimaalisen lataustehokkuuden säilyttäminen on haasteellista. Kun akku purkautuu, akun jännitteen ja USB-C-latausjännitteen (VBUS) välinen ero kasvaa, mikä heikentää latauksen tehokkuutta. Kun akun jännite sitä vastoin nousee, latauspiirin on laskettava latausvirtaa akun suojaamiseksi.

Jos matkasovittimen syöttämiä lataustasoja ei voi alentaa suoraan, tehohäviö kasvaa, mikä laskee hyötysuhdetta ja tuottaa lämpöä. Tämän seurauksena optimaalinen lataustaso muuttuu jatkuvasti, usein pienin askelin, mikä edellyttää latausjännitteen ja -virran vastaavaa asteittaista ohjausta maksimaalisen hyötysuhteen saavuttamiseksi.

Miten USB-C PD 3.0 PPS parantaa hyötysuhdetta

USB-C PD 3.0 PPS on suunniteltu vastaamaan korkea lataustehoa ja korkeaa hyötysuhdetta koskevaan kasvavaan tarpeeseen. Sen avulla ladattava laite (nielu) voi pyytää laturia (lähde) nostamaan tai laskemaan latausjännitettä ja -virtaa laajennetuissa PDO:issa ilmoitetuilla mV- ja mA-askelilla. Tämän ominaisuuden avulla nielu voi optimoida lataustehokkuuden muuttamalla lähdejännitettä ja -virtaa.

PPS:n käyttöönotto muuttaa dramaattisesti latausprosessin toimintatapaa. Aiemmin lähdelaturi sekä ohjasi että toteutti latausalgoritmin. PPS:ssä latausalgoritmin ohjaus siirtyy nielulle, jolloin lähteen on suoritettava algoritmi nielun ohjeiden mukaisesti.

PPS:n avulla älypuhelin tai muu nielu kommunikoi latauslähteen kanssa virransyötön optimoimiseksi. Tällöin saavutetaan molemminpuolisesti hyväksyttävä ”PD-sopimus” neuvotteluprotokollan avulla, johon sisältyy lyhyt viestinvaihto seuraavalla tavalla:

1. Lähde tunnistaa, tukeeko liitäntäkaapeli 5 A:n virtaa.
2. Lähde ilmoittaa tukemansa lähdejännitteet ja virrat, jotka kuvaillaan jopa seitsemässä PDO:ssa.
3. Nielu pyytää yhtä ilmoitetuista PDO:ista
4. Lähde hyväksyy pyydetyn PDO:n
5. Lähde syöttää virtaa sovituilla jännite- ja virtatasoilla

Edistykselliset mobiililaitteet, kuten aiemmin mainittu Samsungin 5G-puhelin, käyttävät tätä ominaisuutta nopean latauksen mahdollistamiseen yhteensopivien laturien kanssa. Pikalataavia matkasovittimia suunnitteleville ja latausasemia muihin tuotteisiin rakentaville valmistajille tämäntyyppisen latausprotokollan toteuttaminen edellyttäisi tyypillisesti sellaisen ohjainlaiteohjelmiston kehittämistä, joka pystyy toteuttamaan kyseisen protokollan ja ohjaamaan siihen liittyviä virtalaitteita. FSM-ratkaisu tarjoaa kuitenkin USB-C PD PPS:n kaltaiselle vakiintuneelle standardille tehokkaan vaihtoehdon, sillä se poistaa tarpeen kehittää laiteohjelmisto, joka voisi viivästyttää lopputuotteen toimitusta. Käyttämällä USB-C PD 3.0:n FSM-toteutusta, joka sisältää PPS:n, ON Semiconductorin adaptiivinen lähdelatausohjain FUSB3307 nopeuttaa sellaisten latureiden kehittämistä, jotka pystyvät täyttämään seuraavan sukupolven älypuhelinten ja muiden suurikapasiteettisilla akuilla varustettujen mobiililaitteiden nopean latauksen vaatimukset.

Integroitu ohjain USB-C PD 3.0 -yhteensopivia pikalatureita varten

ON Semiconductor FUSB3307 on integroitu virtalähdeohjain, joka mahdollistaa USB-C PD 3.0 PPS:n toteuttamisen ilman ulkoista prosessoria. Laite sisältää kaapelintunnistuksen, kuorman hilaohjaimen, useita suojatoimintoja sekä vakiojännite- (CV) ja vakiovirtasäädön (CC) sekä kattavan PD 3.0 Device Policy Managerin, Policy Engine -komponentin, protokollan ja PHY-kerrokset laitteistolla.

FUSB3307 on suunniteltu tukemaan sekä AC/DC- että DC/DC-latureita, joten se voi tarjota PD-virtalähteeseen sopivat vasteet. Tämän ansiosta suunnittelijat voivat toteuttaa USB-C PD 3.0 -yhteensopivan virtalähteen FUSB3307:n avulla ja käyttää suhteellisen vähän lisälaitteita ja -komponentteja.

Kun FUSB3307 liitetään nieluun, se tunnistaa automaattisesti nielulaitteen ja liitäntäkaapelin ominaisuudet ja ilmoittaa omat ominaisuutensa USB-C-määritysten mukaisesti. Kun nielu vastaa ja valitsee tuetun PDO:n, FUSB3307 aktivoi VBUS-jännitteen ja ohjausvirtapiirit syöttääkseen nieluun pyydetyt latausjännite- ja virtatasot.

Koska FUSB3307 sisältää kaikki ohjaustoiminnot, toiminnan perusperiaatteet pysyvät periaatteessa samoina sekä AC/DC- että DC/DC-laturien suunnittelussa. Vastauksena nielun komentoihin FUSB3307 käyttää lähteessä CATH-lähtönastaa ohjaamaan takaisinkytketty ohjaussignaali lähteen tehoasteeseen. Lataustoimintojen aikana FUSB3307 valvoo latausjännitettä VFB-nastan kautta ja latausvirtaa mittausvastuksen ylitse nastojen IS+/IS- kautta. Nämä seurattavat jännitteet puolestaan syötetään sisäisiin jännite- ja virtasilmukan virhepiireihin, jotka on yhdistetty jännite- (VFB) ja virtanastoihin (IFB). Nämä signaalit on puolestaan tarkoitettu CATH-nastan ohjaukseen CV- ja CC-ohjausta varten. FUSB3307:n 14-nastaisen SOIC-kotelon (Small Outline Integrated Circuit) muut nastat tukevat kuorman hilaohjainta, USB-C-liitinrajapintaa ja suojatoimintoja.

FUSB3307-lähdeohjain yksinkertaistaa laturien suunnittelua

Kussakin laturityypissä käytetään luonnollisesti erilaisia konfigurointeja ensisijaiselle CATH-lähdölle, VFB-tulolle ja muille nastoille. AC/DC-seinälaturissa tai AC/DC-sovittimessa FUSB3307 valvoo jännitettä ja virtaa toisiopuolella ja antaa ohjauspalautetta ensiöpuolelle (kuva 1).

Kuva 1: AC/DC-tyyppisessä seinälaturissa tai -sovittimessa FUSB3307 vastaa nielulaitteen eri latausjännitteitä koskeviin komentoihin ohjaamalla PWM-ohjainta eristävän optoerottimen kautta. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Tässä latausmallissa FUSB3307:n CATH-lähtönasta liitetään tyypillisesti toisiopuolen optoerottimen katodiin takaisinkytkennän ohjaussignaalin välittämiseksi ensiöpuolen PWM (pulssileveysmodulaatio) -ohjaimeen, esimerkkinä ON Semiconductor NCP1568. Toisiopuolella FUSB3307:n jännite- ja virta-anturitulot seuraavat synkronisen tasasuuntausohjaimen lähtöä, esimerkkinä ON Semiconductor NCP4308.

Esimerkiksi autosovelluksissa käytettävässä DC/DC-laturimallissa FUSB3307 ohjaa suoraan DC/DC-ohjainta. Tällöin FUSB3307:n CATH-takaisinkytkentäsignaali liitetään DC/DC-ohjaimen, kuten ON Semiconductor NCV81599, kompensointinastaan (COMP) (kuva 2).

Kuva 2: DC/DC-tyyppisessä autolaturissa FUSB3307 ohjaa suoraan DC/DC-ohjaimen jännitelähtöä ja nostaa tai laskee lähtöä nielun, kuten 5G-puhelimen tai muiden mobiililaitteiden, komentojen mukaan. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

ON Semiconductor toteuttaa tämän kyseisen DC/DC-laturimallin FUSB3307-piirille tarkoitetulla FUSB3307MX-PPS-GEVB-arviointialustalla. Alusta on suunniteltu toimimaan yhdellä tasavirtalähteellä ja tarjoaa kattavan USB PD 3.0 PPS:n mukaisen latauslähteen. Se tuottaa 5 A:n virran (enintään) standardin tukemalla VBUS-jännitealueella 3,3 voltista (vähintään ) 21 volttiin (enintään).

Arviointialustan avulla kehittäjät voivat tutkia FUSB3307:n toimintaa USB PD 3.0 -yhteensopivien laitteiden sekä vanhojen USBPD 2.0 -laitteiden kanssa. Kehittäjät voivat aloittaa heti pikalatausprosessin tutkimisen seuraamalla VBUS-jännitettä ja -virtaa, jotka alusta syöttää USB-C PD -yhteensopivaan laitteeseen, kuten kannettavaan tietokoneeseen tai älypuhelimeen.

Tämä lähestymistapa tarjoaa erityistä tietoa FUSB3307:n toiminnasta tavallisen USB PD 3.0 5G -puhelimen kanssa sekä siitä, miten puhelin käyttää USB PD 3.0 PPS -protokollaa latausjännitteen ja -virran optimointiin. Eräässä tämän ominaisuuden ^[1] demonstraatiossa havaittiin, että tavallinen Samsung S20 Ultra 5G -laite antaa FUSB3307MX-PPS-GEVB-arviointialustalle sarjan komentoja muuttaakseen latausjännitettä ja -virtaa sekä suurin että pienin askelin (kuva 3).

Kuva 3: ON Semiconductor FUSB3307MX-PPS-GEVB -arviointialusta osoittaa miten FUSB3307 reagoi tavallisen 5G-puhelimen komentoihin latausjännitteen ja -virran hienosäätämiseksi. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Kun piirilevy ja puhelin yhdistetään tässä demonstraatiossa, 5G-puhelin valitsee perustason PDO:n (5,00 V ja maksimissaan 5,00 A), kuten kuvan ensimmäiset 10 sekuntia osoittavat. Tässä vaiheessa latausjännite (VBUS) on 5 V, ja 5G-puhelin käyttää noin 2 A:n latausvirtaa (IBUS). Tämän jälkeen 5G-puhelin pyytää korkeampaa PDO-tasoa, joka ilmoittaa lähteen kyvyn syöttää 8 volttia 4 A:n virralla. FUSB3307 toteuttaa pyynnön, ja muutos tapahtuu välittömästi: VBUS nousee 8 volttiin pyynnön mukaisesti, ja IBUS näyttää asteittaisen kasvun, kun 5G-puhelin kasvattaa IBUS-virtaa.

Tämän VBUS-arvon jyrkän nousun jälkeen PPS:n avulla saavutettava lataustehon asteittainen nostaminen käy selväksi. 5G-puhelin pyytää 40 millivoltin (mV) korotusta VBUS-jännitteeseen noin 210 millisekunnin (ms) välein, jolloin VBUS-jännite nousee asteittain yhä korkeammaksi. Kun IBUS saavuttaa 4 A (vihreä katkoviiva kuvassa), FUSB3307 käyttää vakiomuotoista PPS-protokollaa lähettääkseen varoitusviestin, joka ilmoittaa 5G-puhelimelle, että pyydetty virtaraja on saavutettu. 5G-puhelin lähettää jatkuvasti pyyntöjä VBUS-jännitteen nostamiseksi 40 mV:n askelin. Lopulta se saavuttaa 9,8 voltin arvon. Tällaisella adaptoituvaa lähdettä käyttävällä latauksella voidaan päivittäisessä käytössä saavuttaa pikalatauksen edellyttämä maksimaalinen lataustehokkuus ilman, että nielulaite ylikuumenee tai muuten vaarantuu.

Käyttämällä ON Semiconductor FUSB3307MX-PPS-GEVB -arviointialustaa kehittäjät voivat välittömästi tutkia USB-CPD:n käyttöä olemassa olevien laitteiden kanssa ja laajentaa alustaan liittyvää referenssisuunnitelmaa haluamansa pikalatauksen toteuttamiseksi USB PD 3.0 -standardin mukaisissa laitteissa. Kaikkein parasta on, että toteutus ei vaadi laiteohjelmiston kehittämistä. FUSB3307:n avulla kehittäjät voivat käyttää tuttuja virtalähdetekniikoita sellaisten sovittimien rakentamiseen, jotka pystyvät hyödyntämään täysin seuraavan sukupolven 5G-puhelinten ja muiden yhteensopivien laitteiden pikalatausominaisuuksia.

Yhteenveto

Vaikka 5G-puhelimet tuovat käyttäjille runsaasti uusia toimintoja ja mahdollisuuksia, näiden laitteiden tarvitsemat suurikapasiteettiset akut ovat suunnittelijoille myös haaste. Heidän on erityisesti varmistettava, että matkasovittimet ja latausasemat mahdollistavat nopean latauksen ilman puhelimen ylikuumenemista.

ON Semiconductorin adaptiivinen latausohjain FUSB3307 tarjoaa suunnittelijoille välittömän ratkaisun täysin yhteensopivien USB PD 3.0 PPS -ominaisuuksiensa ansiosta – ilman laiteohjelmiston kehittämistä. Käyttämällä tätä ohjainta yhdessä tuttujen virtalähdelaitteiden ja -komponenttien kanssa kehittäjät voivat toteuttaa nopeasti sovittimia, jotka tukevat USB PD 3.0 -yhteensopivien 5G-puhelimien ja muiden mobiililaitteiden nopeasti kasvavaa määrää.

Lähde

1. Convergence of 5G, Fast Charging and USB-C Programmable Power Supplies