STUSB 4500/4700 - łatwy sposób na USB-C

Oba kontrolery mają zapisaną fabrycznie konfigurację profili zasilania w pamięci nieulotnej i pracują w trybie auto run, dzięki czemu pozwalają na negocjację warunków zasilania zgodnie z power delivery, a więc m.in. realizują tryb szybkiego ładowania bez jakiegokolwiek nadzoru ze strony oprogramowania, dotyczy to także obsługi stanu całkowitego wyczerpania baterii (dead battery power).

Tabela. Gotowe profile zasilania (dla dwóch wersji STUSB4700) wybierane są za pomocą linii GPIO

Oprócz pracy autonomicznej istnieje możliwość zarządzania pracą układu przez mikroprocesor (przez I²C). Wówczas przygotowany przez producenta i działający domyślnie od włączenia zasilania profil zasilania PDO może być zmieniony na inny.

STUSB4500 pozwala na stworzenie zasilacza z USB dla urządzenia o mocy od 15 do 100 W, co pokrywa szerokie spektrum zastosowań takich jak zabawki, elektronarzędzia, sprzęt biurowy, elektronika konsumencka, urządzenia medyczne i podobne. Dotyczy to też aplikacji zasilanych napięciem powyżej 5 V.

STUSB4500 jest wytwarzany w małej obudowie QFN24 o wymiarach 4×4 mm, a cena bazowa została ustalona przez producenta na 0,75 dol. przy partii 1000 sztuk. Niedługo będzie dostępna też wersja w jeszcze mniejszej obudowie CSP. Zakres temperatur pracy wynosi od -40 do 105°C, co pozwala też na zastosowania przemysłowe.

Rys. 1. Ładowarka z STUSB4700

Główne zadania realizowane przez układ to:

• wykrywanie dołączenia zasilania do portu USB-C
• zestawienie poprawnego połączenia źródła energii i odbiornika
• obsługa obracania wtyczki i skrętu żył kabla dla zapewnienia poprawnego przekazywania danych (MUX control)
• negocjacja warunków zasilania zgodnie z power delivery
• konfigurowanie zasilania z szyny VBUS oraz monitorowanie stanu tej linii
• realizacja zabezpieczeń przed przepięciami i zbyt dużym napięciem zasilania

Dodatkowo STUSB4500 zapewnia:

• tryb obsługi ładowania całkowicie rozładowanego akumulatora (dead battery)
• możliwość zmiany i dopasowania fabrycznego planu zasilania PDO (power data object) w pamięci nieulotnej
• realizację wewnętrznej i zewnętrznej ścieżki rozładowania potencjału dla szyny VBUS
• obsługę trybu debug accesory mode

W zależności od potrzeb można wybrać jeden z trzech profili zasilania:

• PDO1 - domyślny dla aplikacji o niskiej wartość wymaganej mocy zasilania (5 V/ do 1,5 A)
• PDO2 - odpowiedni dla aplikacji o średniej mocy wyjściowej (do 15 V/1,5 A)
• PDO3 - zapewniający maksymalną wartość mocy wyjściowej (do 20 V/1 A)

Rys. 2. Schemat układu zasilania z USB z wykorzystaniem STUSB4500

W PDO 1 napięcie wyjściowe jest stałe i równe 5 V, w PDO2 i PDO3 układ pozwala na większą wartość napięcia zasilającego od 5 do 20 V ustawiane w krokach co 50 mV. W zakresie maksymalnego prądu można wybrać jedną z 15 ustalonych wartości z zakresu 0,5-5 A lub ustalić jedną inną o wybranych parametrach.

STUSB4500 monitoruje napięcie szyny zasilającej VBUS pod kątem tego, czy zawiera się ono w zakresie dopuszczalnych zmian. Wykrywane są stany alarmowe, jak np. zwarcia szyny zasilającej, przepięcia oraz niekontrolowane odłączenia. Jest też wbudowany układ rozładowywania potencjału, zabezpieczający przed uszkodzeniem na skutek obecności resztkowego ładunku w dołączonych pojemnościach filtrujących. Ochrona taka dotyczy też linii kontrolnych interfejsu (CC).

STUSB4500 ma wbudowane drivery do przełączników PMOS sterujących zasilaniem VBUS. Układ do pracy wymaga niewiele elementów zewnętrznych. Producent dostarcza zestaw projektowy ułatwiający rozpoczęcie pracy. Realizowane funkcje są zgodne z wymaganiami standardu USB, a konstrukcja jest certyfikowana i zgodna ze specyfikacją USB PD 3.0 i USB Type-C 1.2. Napięcie zasilania szyny VBUS może sięgać 28 V.

STUSB4700

Rys. 3. Dla konstruktorów przygotowano płytki demonstracyjne STEVAL-ISC005V1 dla STUSB4500 i STEVAL-ISC004V1 dla STUSB4700

STUSB4700 to analogiczne rozwiązanie łatwego w aplikacji interfejsu USB-C typu stand alone, pracującego po stronie źródła energii (zasilacza) a więc działające w trybie source. Zawiera wszystkie obwody odpowiedzialne za komunikację przez linie CC i negocjację warunków zasilania w ramach power delivery i obsługuje do 5 profili PDO z możliwością ustawienia, który będzie ładowany domyślnie przy włączeniu zasilania.

Do pracy nie wymaga nadzoru ze strony mikrokontrolera, a wybór profilu oraz poziomów zabezpieczeń dokonuje się za pomocą odpowiednich podłączeń linii kontrolnych układu. Jego obecność jest wymagana dopiero w zasilaczach wieloportowych, gdzie konieczny jest nadzór nad podziałem mocy pomiędzy poszczególne gniazda (interfejs I²C).

Podobnie jak w przypadku odbiornika linia zasilająca VBUS jest chroniona przed zwarciem i przepięciami, jest też układ rozładowania jej potencjału, co zapobiega przypadkowym uszkodzeniom, a także układ monitorujący napięcie zasilające, który blokuje pracę sterownika, gdy jego wartość wykracza poza ustalone granice.

Wewnętrzna struktura STUSB4700 zawiera driver do tranzystorów mocy odpowiedzialnych za załączenie napięcia VBUS oraz za aktywację układu rozładowującego. Podobnie jak opisany wyżej odbiornik kontroler pracuje w szerokim zakresie temperatur pracy od -40 do 105°C i jest dostępny w obudowie QFN24. Na rysunku przedstawiono przykładowy schemat zasilacza USB-C z jego wykorzystaniem.