Uniwersalna ładowarka USB-C na bazie zasilacza programowalnego

Szanse na wspólną wtyczkę przyniosło dopiero wprowadzenie złącza USB Type-C przez USBIF (USB Implementers Forum). Ma ono na tyle dobrą funkcjonalność, że producenci stopniowo odchodzą od własnościowych rozwiązań na rzecz USB-C. Port ten pozwala na ładowanie mocą do 100 W, a wtyczka może być odwracana w gnieździe dla większej wygody. Protokół negocjacji warunków zasilania w USB-C (Power Delivery, PD) umożliwia jednej ładowarce obsługę wielu urządzeń, takich jak telefony, tablety i laptopy, zmniejszając w ten sposób ilość e-odpadów. W niedalekiej przyszłości z USB-C będą też ładowane elektronarzędzia.

W niniejszym artykule omówiono specyfikacje USB-C i programowalnego zasilacza (PPS, programmable power supply) oraz działanie mechanizmu negocjacji zasilania PD na przykładzie typowego systemu ładowania baterii. Artykuł następnie porównuje ładowanie różnych urządzeń mobilnych ładowarką bez PPS i z PPS oraz omówi zalety zaprojektowania uniwersalnej ładowarki USB typu C z obsługą PPS. Na koniec przedstawiono projekt zasilacza USB Type-C PPS opartego na kontrolerze PAG1 firmy Infineon.

PAG1 to kompletne rozwiązanie zasilacza AC/DC z kontrolerem USB PD, przeznaczone do budowy niezawodnych, wydajnych i ekonomicznych zasilaczy stanowiących bazę ładowarki z USB-C. PAG1 jest rozwiązaniem dwuchipowym, z głównym kontrolerem działającym po stronie pierwotnej (PAG1P) i kontrolerem strony wtórnej (PAG1S). Zawiera on sterownik prostownika synchronicznego, kontroler USB PD, stabilizator tolerujący napięcie do 30 V, sterownik bramek FET-ów prostownika, układ zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP), nadprądowego (OCP) i zwarciowego (SCP) oraz obwody ochronne przed przypadkowym połączeniem linii VBUS z kanałem komunikacyjnym (CC). PAG1 działa w topologii flyback (przetwornica zaporowa), z kontrolą napięcia po stronie wtórnej, który dla osiągnięcia dużej sprawności energetycznej pracuje ze zmienną częstotliwością przełączania.

Ładowanie baterii – jak to działa?

Telefony komórkowe, tablety i laptopy zazwyczaj wykorzystują akumulatory litowo-jonowe. Telefony i tablety zwykle mają 1–2 takie ogniwa, a laptopy 3–4. Istnieje wiele sposobów ładowania:

• stały prąd ładowania (CC),
• stałe napięcie (CV) z dopełnianiem ładunku (nasycaniem).

Jak pokazano na rysunku 1, pierwszym etapem ładowania jednego ogniwa jest przyłożenie stałego prądu (0,5–1 C), aż napięcie akumulatora osiągnie 4,2 V. Wówczas następuje drugi stan ładowania, zwany ładowaniem nasycającym, w którym utrzymuje się stałe napięcie 4,2 V, podczas gdy prąd ładowania spada do mniej niż 10% początkowego.

 

Rys. 1. Napięcie akumulatora litowo-jonowego w funkcji prądu podczas ładowania

Rysunek 2 przedstawia przykład typowej ładowarki. Mikrokontroler steruje źródłem prądowo-napięciowym na bazie liczby obsługiwanych ogniw i monitoruje stan akumulatora, chroniąc go przed przeciążeniami takimi jak przepięcie, przetężenie, nadmierna temperatura itp. Ładowarka taka zasilana jest z szyny VBUS w USB-C lub zasilacza DC i dostarcza wymaganego prądu. Oczywiście konwersja jest źródłem strat mocy i powoduje nagrzewanie się obwodów.

 

Rys. 2. Schemat blokowy ładowarki

Specyfikacja PD 2.0

Zgodnie ze specyfikacją USB Power Delivery port USB typu C jest źródłem energii, gdy pracuje w trybie source, a gdy ją odbiera, wówczas jest to tryb sink. Specyfikacja pozwala na dostarczanie przez źródło do 100 W przy różnych poziomach napięcia szyny VBUS: 5, 9, 12, 15 i 20 V. Sposób negocjowania warunków zasilania jest następujący:

• po podłączeniu, źródło energii (w tym przykładzie zasilacz USB-PD) podaje 5 V na VBUS,
• następnie zasilacz wykrywa, czy ma podłączony kabel USB typu C z chipem identyfikacyjnym i komunikuje się z nim, sprawdzając, jaki maksymalny prąd można nim przesłać,
• po zakończeniu identyfikacji kabla zasilacz anonsuje odbiornikowi swoje możliwości z użyciem 32-bitowych obiektów PDO (Power Delivery Objects) w ramach komunikatu "Source_Capabilities". Każdy PDO opisuje zdolność źródła do oddania określonego prądu dla danego napięcia. Źródło może mieć więcej niż jeden PDO anonsowany w swoim Source_ Capabilities (wiele dostępnych par prąd-napięcie),
• podłączone urządzenie analizuje otrzymany komunikat Source_Capabilities i odpowiada komunikatem żądania (nastawy). Jest to 32-bitowy obiekt (RDO), zawierający pola takie jak "pozycja obiektu", "prąd roboczy" i "maksymalny prąd roboczy". Pole "pozycja obiektu" odnosi się do obiektu PDO ogłoszonego w Source_Capabilities. "Prąd roboczy" wskazuje wartość prądu potrzebnego do działania odbiornika w danym momencie, a "maksymalny prąd roboczy" wskazuje najwyższy prąd, który będzie wymagany,
• źródło następnie potwierdza komunikat Request za pomocą Accept. Jeśli zostanie odebrany niepoprawny komunikat żądania, wysyła komunikat Reject.
• źródło zmienia swoje napięcie wyjściowe, a następnie wysyła komunikat PS_RDY.

W dowolnym momencie odbiornik może renegocjować warunki zasilania, wysyłając komunikat żądania zwiększenia lub zmniejszenia napięcia lub prądu maksymalnego. W czasie ustalania nowych warunków odbiornik musi zmniejszyć moc do pSnkStdby (2,5 W) i musi czekać w tym stanie, aż źródło wyśle komunikaty Accept i PS_RDY.

USB 3.0 PD z zasilaczem programowalnym (PPS)

 

Wymiana komunikatów nt. zasilania między źródłem a odbiornikiem

Specyfikacja USB PD 3.0 zapewnia jeszcze większą elastyczność. W tym przypadku zasilacz PPS może ustawić napięcie od 3,3 V do 21 V. Możliwości te są ujawniane przez komunikat Augmented Power Delivery Object (APDO). APDO informuje o minimalnym i maksymalnym poziomie napięcia oraz prądu. Co więcej, ustawioną wartość można trymować programowo co 20 mV. Zasilacz obsługuje również stałe PDO w celu zapewnienia kompatybilności wstecznej. Oto jak negocjowane są warunki zasilania między źródłem a odbiornikiem:

• zasilacz wysyła komunikat o swoich możliwościach tj. Source_Capabilities. Może on zawierać zarówno starszą wersję PDO, jak i nowszy format APDO.
• odbiornik odpowiada komunikatem żądania. Komunikat żądania ujścia PPS to 32-bitowy programowalny obiekt danych żądania Request Data Object (RDO), gdzie wskazuje pożądane napięcie VBUS i maksymalny prąd.
• źródło potwierdza komunikatem Accept i wysyła PS_RDY, gdy napięcie zostanie ustawione.
• odbiornik musi okresowo wysyłać do źródła komunikat Request, sygnalizując obecność. Po 10 sekundach bez takiego sygnału źródło wyłączy zasilanie i warunki muszą być negocjowane ponownie.

W przeciwieństwie do PD 2.0, nie jest wymagana redukcja pobieranej mocy do poziomu standby na czas negocjacji napięcia i prądu VBUS.

Tryby CC i CV

Podczas pracy w trybie stałego napięcia (CV) źródło stabilizuje potencjał VBUS w funkcji prądu obciążenia, o ile mieści się on w wynegocjowanym przedziale. Gdy prąd przekroczy ustalone maksimum, zasilacz przełącza się w tryb stałego prądu (CC). Podczas pracy w trybie CC źródło utrzymuje stały prąd, zmniejszając napięcie VBUS w odpowiedzi na jego wzrost aż do 3,3 V. Jeśli prąd wzrośnie jeszcze bardziej, zasilacz się wyłączy.

Standardowe PDO i APDO

Dla zapewnienia zgodności między różnymi producentami specyfikacja USB Power Delivery wymusza, aby zasilacz PPS był zgodny z PDO i APDO w oparciu o kryteria oceny Power Delivery Power (PDP). Rysunek 4 pokazuje tabelę zawartą w specyfikacji, która wymienia dozwolone PDO i APDO dla różnych PDP.

Oznacza to, że zasilacz USB-C o mocy znamionowej 36 W PDP będzie obsługiwać PDO (5 V–3 A 9 V–3 A i 15 V–2,4 A) oraz APDO: 9 V (3,3 do 11 V przy 3 A) oraz 15 V (3,3 V do 16 V przy 2,4 A). W tabeli 1 porównano funkcjonalność zasilacza PDO USB-C z nowszym APDO.

Specyfikacja zasilania zapewnia pełną kompatybilność. Starszy zasilacz PDO będzie działał z nowymi odbiornikami, a nowy APDO ze starszymi odbiornikami PDO. Niemniej nie w każdym przypadku uda się zapewnić optymalną szybkość ładowania. Wyniki eksperymentów pokazano w tabelach 2 i 3.

Ładowarki USB-C oparte na zasilaczu obsługującym APDO są zatem bardziej elastyczne, ponieważ umożliwiają odbiornikom ustawienie napięcia i prądu VBUS o wartości idealnie dobranej do wydajnego ładowania akumulatora. Ładowarka Samsung Note10+ w zestawie obsługuje dwa APDO (3,3–5,9 V przy 3 A i 3,3–11 V przy 2,75 A), ale obsługuje także stałe PDO, zapewniając pracę z innym sprzętem.

 

Rys. 3. Dopuszczalne kombinacje zasilania PDO i APDO

Projektowanie ładowarek USB-C z zasilaczami programowalnymi

Infineon ma w ofercie dwa kontrolery, które idealnie nadają się do implementacji ładowarek z zasilaczami PPS: CCG3PA oraz PAG1P + PAG1S. CCG3PA obsługuje USB Power Delivery trzeciej generacji i jest zintegrowanym sterownikiem nadającym się do ładowarek USB-C i powerbanków. Układ ma zintegrowany 32-bitowy procesor Arm Cortex-M0, 64 KB pamięci Flash, 8 KB RAM, transceiver USB Type-C, 2 przetworniki ADC, 2 programowalne interfejsy komunikacyjne, 4 timery, zintegrowany obwód pętli sprzężenia zwrotnego do regulacji napięcia VBUS i inne bloki sprzętowe niezbędne do implementacji trybu CC i CV.

Z kolei PAG1 to kompletne rozwiązanie zasilacza AC/DC ze zintegrowanym kontrolerem USB Power Delivery (PD).

 

Rys. 4. Schemat blokowy zasilacza programowalnego z kontrolerami PAG1P i PAG1S

PAG1 składa się z dwu chipów: kontrolera strony pierwotnej zasilacza (PAG1P) i strony wtórnej (PAG1S). PAG1P realizuje topologię przetwornicy zaporowej sterowanej po stronie wtórnej, a PAG1S zajmuje się regulacją napięcia i prądu oraz obsługą pętli sprzężenia zwrotnego. PAG1P obsługuje również filtrujący Rys. 4. Schemat blokowy zasilacza programowalnego z kontrolerami PAG1P i PAG1S napięcie sieciowe X-Cap, aby osiągnąć lepszą sprawność.

PAG1S ma ponadto wbudowany sterownik prostownika synchronicznego, kontroler USB PD, stabilizator, sterowniki bramek FET-ów prostownika i realizuje obwody zabezpieczeń OVP, SCP i OCP. Jest też 32-bitowy mikrokontroler Arm Cortex-M0, 32 KB pamięci Flash, transceiver USB Type-C, 2 przetworniki ADC i bloki sprzętowe do implementacji trybu CC i CV (rys. 4).

Anshul Gulati, Shopitham Ram, Infineon
www.cypress.com/usbc

Infineon
www.infineon.com