1

Ładowarki USB C - kierunek rozwoju dla uniwersalnego przesyłu danych oraz automotive

| Prezentacje firmowe

W przeszłości, ładowarki do pojazdów projektowano głównie z myślą o telefonach komórkowych. Prosty konwerter obniżający napięcie był wystarczający do zasilenia pojedynczego wyjścia o mocy poniżej 15 W. Jednakże wraz ze wzrostem wymagań dla ładowarek mających zasilić urządzenia przenośne dużej mocy takie, jak tablety i laptopy coraz szersze zastosowanie zyskały gniazda USB typu C. Stworzenie rozwiązania USB-C dla ładowarek samochodowych stało się tylko kwestią czasu.

Ładowarki USB C - kierunek rozwoju dla uniwersalnego przesyłu danych oraz automotive

Rozwiązanie o nazwie RTQ7880 zaprojektowane przez firmę Richtek jest pierwszym na świecie układem, który scala funkcje ładowarki USB-C z obsługą Power Delivery (w skrócie PD) i kontrolera przetwornicy typu buck-boost (obniżająco-podwyższającej) w jednej obudowie.

Stworzono w ten sposób kompletne rozwiązanie zasilające do ładowarek nowej generacji. RTQ7880 to elastyczny funkcjonalnie układ do aplikacji o dużej mocy wyjściowej i gęstości mocy, który ma kompleksowo dobrane zabezpieczenia, tak aby spełnić obecne i przyszłe wymagania dla ładowarek w przemyśle samochodowym.

Nowe wyzwanie dla projektantów

 
Rys. 1. Topologia konwersji energii podczas podwyższania i obniżania napięcia wejściowego

Rozwój technologii spowodował, że rynek nałożył na pojazdowe systemy ładowania wymóg obsługi funkcji Power Delivery (PD). Przyniosło to nowe wyzwania dla projektów ładowarek samochodowych, np. ich moc wyjściowa oraz gęstość mocy znacznie wzrosły. Tam gdzie poprzednie wersje ładowarek musiały zapewnić od 7,5 do 15 watów i działały tylko w trybie obniżania napięcia do 5 V(buck), nowe wersje z obsługą PD dają możliwość dostarczenia do obciążenia mocy do 100 W w szerokim zakresie napięć wyjściowych, nie tylko 5 V.

Takie rozwiązanie wymaga realizacji wysoko sprawnego podwyższania i obniżania napięcia w układzie konwertera z bardzo skutecznie działającymi zabezpieczeniami termicznymi.

Dla zapewnienia wysokiej sprawności konwersji RTQ7880 pracuje w topologii pełnomostkowej buck-boost, dodatkowo zapewnia płynną zmianę między trybem obniżania i podwyższania napięcia (rys. 1) oraz ma programowalną częstotliwość kluczowania. Układ pozwala na zaprogramowanie stopnia redukcji mocy przy nadmiernym wzroście temperatury (tzw. derating). Możliwa jest także automatyczna redukcja mocy wyjściowej, gdy napięcie akumulatora w pojeździe się obniży (rys. 1).

 
Rys. 2. Schemat działania ładowarki samochodowej USB-C z PD

Od 2012 r., a więc momentu powstania standardu USB-C uaktualniono go o wiele nowych funkcji i szczegółów, poczynając od definicji poziomów napięć wyjściowych 5, 9, 15 i 20 V (rys. 2), aż po ostatnią wersję PD 3.0 zawierającą możliwość programowania napięcia wyjściowego (Programmable Power Supply - PPS), czyli działania w jeszcze szerszym zakresie napięć wyjściowych: 3,3-11 V, 3,3-16 V oraz 3,3-21 V, odpowiednio dla mocy wyjściowej 27, 45 oraz 60/100 W. W PPS napięcie oraz prąd wyjściowy mogą być ustawiane z krokiem 20 mV i 50 mA (rys. 2).

Elastyczne rozwiązanie w połączeniu z najnowszymi standardami

 
Rys. 3. Programowanie i aktualizacja oprogramowania układu RTQ7880

Układ nie wymaga do działania mikrokontrolera i pozwala na programowanie parametrów pracy za pomocą interfejsu cyfrowego. Także aktualizacja oprogramowania w pamięci MTP układu RTQ7880 może być wykonana przez port USB - poprzez polecenia I²C na liniach danych.

Możliwe jest także podłączenie ładowarki do głównej jednostki samochodu (Head Unit) przez I²C i praca układu RTQ7880 jako slave (rys. 3). Taka aktualizacja typu online tworzy z układu RTQ7880 wiarygodną i stabilną aplikację zapewniającą dopasowanie funkcji do nowych wymagań.

 
Rys. 4. Schemat przykładowej aplikacji wykorzystania RTQ7880 w innych systemach niż USB-C

Dzięki temu, że firma Richtek jest członkiem USB Implementers Forum, RTQ7880 jest w pełni zgodny z najnowszymi wytycznymi organizacji a jego konstrukcja zapewnia elastyczność i możliwość rozbudowy funkcjonalności. Wbudowany mikrokontroler ARM i programowalny blok PWM pozwalają na realizację funkcji AnyPower, dzięki której spełniono wymogi standardu USD PD 3.0 z PPS. Dodatkowo RTQ7880 zawiera wiele sprzętowych funkcji ochronnych, co czyni konwerter całkowicie zgodnym ze standardem PDSafe (rys. 4).

RTQ7880 jest przystosowany do pracy także z systemami zasilania niezgodnymi ze specyfikacją USB-C. Układ może współpracować z systemami BC 1.2, QC 2.0, QC 3.0 oraz Apple (rys. 4).

Wygoda i technika

 
Rys. 5. Schemat działania ładowarki samochodowej oraz wykresy pokazujące zmianę napięcia wyjściowego na końcu złącza i na końcu kabla

Ładowarki dużej mocy potrzebne są dzisiaj także dla pasażerów na tylnych siedzeniach. Przy dużym prądzie długie okablowanie (zarówno instalacja samochodu, jak i użytkownika) może wywołać niekontrolowane spadki napięcia. RTQ7880 ma 9-stopniową programowalną funkcję kompensacji takich spadków, która koryguje napięcie wyjściowe w zależności od wartości prądu ładowania. Dokładna wartość napięcia kompensacji zależy od użytego kabla i jego długości. Kompensator pozwala na ustalenie napięcia wyjściowego z dokładnością lepszą niż 50 mV (rys. 5).

Warto też wspomnieć, że RTQ7880 ma kilka wejść/wyjść ogólnego przeznaczenia (GPIO), które mogą być użyte do zastosowań takich, jak sterowanie LED, wybór opcji ustawień firmware czy komunikacja z innymi urządzeniami. Przy aplikacji z dwoma portami USB-C, wyjścia GPIO mogą być używane do komunikacji pomiędzy kontrolerami tych portów. Producent w chwili obecnej oferuje 3 rodzaje tego układu: RT7880BGQW (wersja konsumencka tylko typu buck), RT7880GQW (wersja konsumencka buck-boost) oraz RTQ7880GQW-QT, która spełnia standard AEC-Q100.

Kierunek - coraz lepsze wrażenia użytkownika

Rozwój programowalnego rozwiązania dla USB-C do zastosowania w branży motoryzacyjnej był możliwy dzięki współpracy firmy Richtek z wieloma przedsiębiorstwami z branży. Zasilanie USB typu C jest kolejnym naturalnym krokiem i kierunkiem rozwoju, jeśli chodzi o ładowanie urządzeń mobilnych nie tylko w motoryzacji, lecz także w warunkach przemysłowych przy podwyższonych wymaganiach środowiskowych.

Paweł Żużel, Roman Litwin
Masters Sp. z o.o.