Implementacja złącza interfejsu USB typu C w akumulatorach litowo-jonowych
| TechnikaZłącze standardu USB typu C może zostać zintegrowane z zestawami akumulatorów litowo-jonowych za pomocą kilku różnych metod. Do głównych aspektów wymagających uwzględnienia podczas projektowania tego typu rozwiązań należą wybór komponentów oraz dobre zrozumienie zasad działania tego interfejsu.
Złącze USB typu C wprowadzone zostało do specyfikacji standardu USB w 2014 roku, niemal jednocześnie z wersją standardu numer 3.1. Złącze to umożliwia osiąganie wyższej prędkości przesyłu danych niż w przypadku poprzednich rozwiązań – nawet do 20 Gbit/s w przypadku standardu w wersji 3.2. Pozwala również na dostarczanie zasilania zgodnie ze standardem USB PD (Power Delivery), oferując dystrybucję zasilania o mocy do 100 W, napięciu do 20 V oraz natężeniu prądu do 5 A.
Kolejną cechą tego typu złącza, stanowiącą niewątpliwą zaletę w porównaniu do poprzednich generacji, jest jego symetryczność. Konektor USB typu C ma symetryczny kształt i może zostać umieszczony w złączu w każdej z dwóch orientacji, bez wpływu na pracę systemu. Eliminuje to problemy z dopasowaniem wtyczki, irytujące zapewne każdego użytkownika współczesnych urządzeń mobilnych.
Zamysłem twórców specyfikacji USB PD było opracowanie uniwersalnego rozwiązania mogącego stanowić standard zasilania urządzeń mobilnych, takich jak laptopy, tablety czy smartfony. Wymiary złącza USB typu C są jedynie nieznacznie większe od złącza typu USB micro. Wysokość wynosi 2,4 mm (przy 1,8 mm dla micro), zaś szerokość to 8,25 mm (6,25 mm dla micro).
Dla twórców systemów zasilania do urządzeń mobilnych interesującym rozwiązaniem może okazać się bezpośrednia integracja złącza USB typu C z zestawami akumulatorów litowo-jonowych. Na rynku nie ma wciąż zbyt wielu gotowych rozwiązań tego typu, w ofercie większości wiodących producentów znaleźć można jedynie moduły przeznaczone do implementacji tego typu funkcjonalności.
W dalszej części tekstu opisane zostaną dwa sposoby na integrację złącza USB typu C obsługującego standard USB Power Delivery z pakietem akumulatorów litowo-jonowych. Przy opisie założono, że pakiet wyposażony jest już w system zarządzania pracą akumulatorów (BMS, Battery Management System), zapewniający obsługę podstawowych funkcjonalności, takich jak sterowanie ładowaniem oraz pracą akumulatora, obwody zabezpieczające oraz pomiar magazynowanego ładunku.
Głównymi elementami wchodzącymi w skład obwodu implementującego opisywaną funkcjonalność są moduł USB-C PD oraz regulator napięcia.
Moduł sterownika USB-C PD połączony jest bezpośrednio ze złączem USB typu C, zarządzając wszystkimi procedurami związanymi z implementacją standardu USB PD – m.in. detekcją podłączanych urządzeń, negocjacją poziomów napięć zasilania oraz monitorowaniem zużycia energii. Układ wyposażony jest najczęściej w interfejs komunikacyjny I²C, służący do komunikacji z mikrokontrolerem, innym elementem sterującym pracą systemu lub bezpośrednio z układem regulacji napięcia, ewentualnie w linie sterujące – liczba oraz rodzaj tych linii może się różnić w zależności od modelu układu.
Układ regulacji napięcia konwertuje zasilanie do poziomu wymaganego przez magistralę USB (w przypadku zasilania magistrali z akumulatorów) lub ogniwa litowo-jonowe (w przypadku ładowania akumulatorów z magistrali). Poziom tego napięcia negocjowany jest uprzednio przez sterownik USB-C PD. Wartości napięcia dozwolone w standardzie USB PD to 5, 9, 15 oraz 20 V – układ regulacji napięcia musi mieć możliwość pracy z takimi parametrami sygnału. Topologia regulatora napięcia zależy od nominalnej wartości napięcia paczki akumulatorów – może być to przetwornica typu buck, boost albo buck-boost. Dopuszczalna moc wyjściowa układu musi wynosić przynajmniej 100 W, gdyż taką wartość przyjęto jako maksymalną w specyfikacji standardu USB PD. Sposób komunikacji pomiędzy sterownikiem USB-C PD a regulatorem napięcia zależy od specyfikacji konkretnych modelów układów. Niektóre produkty mają możliwość komunikacji poprzez interfejs I²C, inne będą wymagały implementacji dedykowanych rozwiązań, np. z wykorzystaniem linii sterujących lub prostego mikrokontrolera. W aplikacjach umożliwiających zarówno ładowanie, jak i rozładowanie akumulatorów poprzez interfejs USB konieczny jest wybór sterownika USB obsługującego funkcję dwukierunkowego przepływu prądu przez magistralę. Niezbędne jest również opracowanie mechanizmu regulacji parametrów procesów obsługi akumulatorów litowo-jonowych.
Układy sterowników USB-C PD
Dostępne na rynku modele sterowników USB-C PD różnią się od siebie między innymi sposobem komunikacji z układem regulatora napięcia. Zazwyczaj aspekt ten realizuje się za pomocą cyfrowych linii kontrolnych lub interfejsu I²C.
W przypadku rozwiązań korzystających z linii kontrolnych wymagany poziom napięcia wyjściowego na magistrali USB sygnalizowany jest poprzez kombinację stanów wybranych wyjść sterownika. W tabeli 1 przedstawiono przykładowe wartości stanów oraz odpowiadających im poziomów napięcia dla sterownika korzystającego z trzech linii kontrolnych.
Liczba linii kontrolnych zależy od modelu sterownika i musi wynosić przynajmniej dwa. Dla tego rozwiązania konieczne jest opracowanie sposobu konwersji stanu linii kontrolnych na postać zrozumiałą dla układu regulatora napięcia. Niezbędne jest zatem umieszczenie w systemie dodatkowego układu sterującego pracą regulatora napięcia w zależności od stanu linii. W tym celu wykorzystuje się najczęściej drabinkę rezystorów, której wyjściowa wartość rezystancji zmienia się w zależności od stanu linii sterujących. Rezystancja ta, umieszczona w pętli sprzężenia zwrotnego regulatora napięcia, steruje wartością jego napięcia wyjściowego. Przykład tego typu rozwiązania pokazano na rysunku 1. Zaletą tego podejścia jest szeroki wybór dostępnych układów – w zasadzie możliwa jest implementacja z wykorzystaniem dowolnego modelu regulatora napięcia, a także łatwość testowania oraz debugowania systemu. Do głównych wad zaliczyć można zwiększoną liczbę komponentów oraz większość zajętość powierzchni na płytce drukowanej.
Niektóre modele sterowników USB-C PD wyposażone są w interfejs I²C, za pomocą którego mogą komunikować się z dostosowanym do tego regulatorem napięcia. Upraszcza to projekt obwodu drukowanego, nie wymaga montażu dodatkowych komponentów, pozwala również na oszczędność miejsca na płytce drukowanej. Wadą jest mały wybór dostępnych modeli regulatorów napięcia – musi być on kompatybilny z zastosowanym modelem sterownika, co w praktyce ogranicza często wybór do jednej rodziny produktów. Znacząco utrudnione jest również testowanie działania systemu i wykrywanie ewentualnych błędów.
Ładowanie akumulatorów poprzez interfejs USB-C PD
Aby możliwe było prawidłowe przeprowadzenie procesu ładowania pakietu akumulatorów litowo-jonowych przez interfejs USB-C, umieszczony w obwodzie układ regulacji napięcia powinien być dostosowany do obsługi tego typu akumulatorów sterowania procesem ładowania zgodnie z algorytmem CC/CV (Constant Current/Constant Voltage).
Metoda CC/CV polega na monitorowaniu zarówno wartości natężenia prądu ładowania, jak i napięcia na zaciskach akumulatorów. W pierwszej fazie ładowania, gdy ogniwa są mocno rozładowane i charakteryzują się napięciem poniżej określonej wartości nominalnej, ładowanie odbywa się prądem o stałym natężeniu (od wartości tego natężenia zależy czas ładowania, przy czym nie można przekroczyć maksymalnych wartości dopuszczalnych dla danego modelu ogniwa). Po osiągnięciu określonej wartości napięcia na zaciskach akumulatora, natężenie prądu ładowania maleje, zaś zadaniem układu regulacji jest utrzymanie stałej wartości napięcia. Przekroczenie maksymalnej dopuszczalnej wartości napięcia akumulatora jest bardzo niebezpieczne – może doprowadzić do jego uszkodzenia oraz pożaru.
Rozładowywanie akumulatorów poprzez interfejs USB-C PD
W przypadku korzystania z akumulatorów litowo-jonowych jako źródła energii dystrybuowanej poprzez interfejs USB-C w standardzie Power Delivery szczególną uwagę zwrócić należy na utrzymanie parametrów pracy akumulatorów poniżej maksymalnych wartości granicznych. Ryzyko przekroczenia zakresów związane jest przede wszystkim ze zbyt dużym natężeniem prądu zasilania pobieranego z ogniw w sytuacji pracy przy maksymalnej dopuszczalnej w standardzie mocy, czyli 100 W. Nominalne napięcie akumulatorów oscyluje zazwyczaj w zakresie 3,5–4,3 V, zatem aby zapewnić na magistrali sygnał o mocy 100 W, natężenie prądu pobieranego z akumulatorów wynosić musi ok. 25–30 A. Zastosowane w systemie komponenty muszą być przystosowanie do pracy z takimi wartościami prądu, musi to zostać również uwzględnione przy projekcie obwodu drukowanego, skutkując m.in. odpowiednią szerokością ścieżek oraz efektywnym systemem odprowadzania generowanego w obwodzie ciepła.
Podsumowanie
Integracja interfejsu USB typu C obsługującego standard Power Delivery z pakietem ogniw litowo-jonowych może zostać wykonana na wiele sposobów. W artykule przedstawiono jeden z najpopularniejszych oraz najprostszych w implementacji, wykorzystujący gotowy układ sterownika USB-C PD. Na rynku znaleźć można wiele różnych modeli tego typu produktów, różniących się m.in. sposobem komunikacji z układem regulacji napięcia. Prawidłowa implementacja tego rozwiązania wymaga starannego wyboru komponentów oraz projektu płytki drukowanej, uwzględniającego parametry pracy akumulatorów, w tym przede wszystkim możliwą wysoką wartość natężenia prądu ich ładowania oraz rozładowania.
Damian Tomaszewski
