Jak rychle zvýšit přenos výkonu ze zařízení USB-C na 100 W s minimálním programováním

S tím, jak se porty USB-C (Universal Serial Bus Type-C) stávají stále běžnějšími, mnoho uživatelů na ně spoléhá při poskytování stále vyšší úrovně elektrické energie pro širokou škálu připojených zařízení. Specifikace USB-C však omezuje základní výkon zařízení „pouze typu C“ na maximálně 15 wattů (5 voltů, 3 ampéry).

K překonání tohoto omezení mohou konstruktéři přidat technologii USB Power Delivery (PD) a vytvořit zařízení PD typu C, které dokáže dodávat ve standardním rozsahu výkonu („Standard Power Range“, SPR) až 100 wattů (20 voltů, 5 ampérů). Nyní mohou konstruktéři namísto pečlivého programování komplexního protokolu USB PD snadno nakonfigurovat běžnou řídicí jednotku PD a do nabíječek AC/DC a portů USB s řídicí jednotkou proudu přidat vlastní a optimalizované funkce PD.

V tomto článku je uveden přehled základních požadavků na systémy PD. Dále je zde představena řídicí jednotka PD FUSB15101MNTWG od společnosti onsemi a je ukázáno, jak rychle začít konfigurovat firmware předprogramované řídicí jednotky pomocí vyhodnocovacích desek, vývojového softwaru, programovacích/ladicích adaptérů a analyzátoru protokolu PD.

Spínací převodník s regulací výkonu řízenou protokolem

Bývaly doby, kdy se analogové nástěnné nabíječky pro zařízení napájená bateriemi skládaly pouze ze dvou součástí: transformátoru a usměrňovače. Nyní se potřeba vyšší účinnosti, větší flexibility a pokračující miniaturizace spojily, a tak se z napájení i jednoduchých elektronických zařízení stal komplexní úkol. Dnešní spínací převodníky založené na mikrokontrolérech musí nyní dynamicky vyjednávat svůj výstupní výkon s připojenými inteligentními zátěžemi prostřednictvím složitého protokolu.

Jedním z takových protokolů je USB PD. Ve verzi 3.1 koordinuje protokol až 240 wattů elektrického síťového napájení prostřednictvím inteligentního propojovacího kabelu EMCA („Electronically Marked Cable Assembly“, sestava kabelů s elektronickým označením) USB typu C, přičemž zároveň zachovává zpětnou kompatibilitu se staršími standardy USB. Řízení dynamického přenosu výkonu PD přes 24pinový konektor USB-C však dalece přesahuje statická řídicí napětí na datových linkách klasického čtyřvodičového rozhraní USB.

Zařízení USB PD může fungovat jako zdroj napájení pro výstupní port („downstream facing port“, DFP), jako elektrický spotřebič napájení (nebo „příjemce“) vstupního portu („upstream facing port“, UFP) nebo v režimu portu se dvěma rolemi („dual role port“, DRP). Zdrojové zařízení PD interně spíná pull-up rezistory na dvě řídicí linky (CC1 a CC2). Spotřební zařízení PD se identifikuje pomocí interních pull-down rezistorů.

Obě linky CC se současně používají k přenosu zpráv PD o délce až 356 bitů při taktovací frekvenci 300 kHz (obrázek 1). Krátké řídicí zprávy koordinují tok zpráv mezi dvěma partnery portů, zatímco delší datové zprávy se používají k vyjednávání výkonu a řízení vestavěného autotestu („built-in self-test“, BIST) nebo přenosu obsahu specifického pro OEM.

Obrázek 1: Struktura zprávy PD může dynamicky dosahovat délky až 356 bitů. (Zdroj obrázku: společnost Cypress Semiconductor, prostřednictvím webu embedded.com)

Vyjednávání výkonu mezi zařízeními PD

SPR USB PD 3.0 definuje několik pevných úrovní napětí mezi 5 a 20 volty a podporuje pouze profily statického výkonu až 100 wattů. Pomocí rozšíření PPS („Programmable Power Supply“, programovatelný zdroj napájení) může spotřební zařízení USB v reálném čase požadovat napětí z napájecího zdroje USB mezi 3 a 21 volty v krocích po 20 mV podle svých potřeb.

PPS tak zjednodušuje elektroniku spínacího převodníku v mobilním zařízení, snižuje rozptyl tepla a urychluje nabíjení optimalizací přizpůsobení výkonu. Standard USB PD 3.1 definuje rozšířený rozsah výkonu („extended power range“, EPR) až do maxima 240 wattů a k regulaci napětí sběrnice ve vyšším rozsahu mezi 15 a 48 volty používá nastavitelný zdroj napětí („adjustable voltage supply“, AVS).

Vzhledem k tomu, že již proud 3 A překračuje proudovou kapacitu běžných kabelů USB, organizace USB Implementers Forum (USB-IF) stanovila, že musí být použity speciální kabely EMCA. Vyznačují se silnějšími průřezy vodičů a izolací kabelů. Čipy E-Marker v zástrčkách kabelů potvrzují tyto zesílené vlastnosti kabelu pomocí protokolu PD. Přitom ovlivňují vyjednávání o napájení mezi zdrojovým a spotřebním zařízením.

PD komunikace používá pro vymezení zpráv speciální K-kódy. Speciální sekvence K-kódu, která označuje začátek sekvence, se nazývá SOP („Start Of Packet“, začátek paketu). Jsou definovány tři sekvence: SOP, SOP' a SOP'', takže DFP (zdroj napájení, jako je síťový nabíjecí adaptér PD) může komunikovat jako iniciátor s jedním ze dvou čipů E-Marker v konektorech kabelu EMCA stejně jako s UFP (elektrický spotřebič napájení USB).

Schéma na obrázku 2 ukazuje výměnu zpráv během úspěšného vyjednávání napájení mezi dvěma zařízeními PD připojenými přes kabel EMCA.

Obrázek 2: Úspěšné vyjednávání napájení mezi dvěma zařízeními USB PD přes kabel EMCA. Poznámka: Rqt = požadavek („Request“); Ack = potvrdit („Acknowledge“). (Zdroj obrázku: společnost Cypress Semiconductor, prostřednictvím webu embedded.com)

Konfigurování místo programování

Složitost protokolu PD znamená, že vývojář musí programovat usilovně a pečlivě. Rychlejším přístupem je místo toho nakonfigurovat do předem naprogramované řídicí jednotky USB PD vlastní funkce. Příkladem řídicí jednotky je model FUSB15101MNTWG společnosti onsemi. Jedná se o vysoce integrovanou řídicí jednotku USB PD 3.1, která může ovládat spínací regulátor na primární straně adaptéru AC/DC prostřednictvím optočlenu nebo přímo ovládat regulátor proudu portu DC/DC.

Toto řešení „vše v jednom“ minimalizuje složitost obvodů prostřednictvím optimalizovaných hardwarových periferií, včetně digitálně-analogových a analogově-digitálních převodníků, snímání teploty NTC a hradlových budičů NMOS. Programování usnadňují open-source firmware s aplikačním programovacím rozhraním („application programming interface“, API) a integrovaným vývojovým prostředím („integrated development environment“, IDE) založeným na platformě Eclipse.

Zařízení FUSB15101 má v sobě integrovaný vysoce účinný procesor Cortex® M0+ Arm® s rozhraním UART a podporuje specifikaci PPS regulující výstupní napětí od 3,3 do 21 voltů. Zařízení nabízí programovatelnou regulaci konstantního napětí („constant voltage“, CV) a konstantního proudu („constant current“, CC) a kompenzuje ztráty kabelů. K dispozici jsou také funkce ochrany proti přepětí, podpětí, nadproudu a přehřátí, stejně jako diody přepěťové ochrany na pinech konektoru USB-C. Řídicí jednotka PD podporuje napájení V_CONN pro čipy E-Marker v kabelech EMCA, přičemž její režimy nečinnosti a spánku splňují požadavky certifikátu shody („Certificate of Conformity“, CoC) a metody plánovaných experimentů („Design of Experiments“, DOE).

Mezi typické aplikace patří:

• Adaptér AC/DC kompatibilní s USB PD (viz aplikace 1)
• Porty DC/DC kompatibilní s USB PD (viz aplikace 2)

Aplikace 1: spínaný napájecí zdroj AC/DC s výstupem USB PD

V této aplikaci řídicí jednotka USB PD FUSB15101 ovládá kvazirezonanční („quasi-resonant“, QR) spínací regulátor typu flyback NCP1345Q02D1R2G na primární straně spínaného zdroje AC/DC přes optočlen. Regulátor NCP1345 pracuje s napětím 9 až 38 voltů z pomocného vinutí transformátoru, zatímco pomocí druhého pomocného vinutí generuje napětí, které je čtyřikrát vyšší, aby bylo zajištěno dostatečné spínací napětí pro tranzistor MOSFET při nízkém výstupním napětí 3,3 voltu USB. Na sekundární straně řídí řídicí jednotka NCP4307AASNT1G synchronní usměrnění. Kombinace tří integrovaných obvodů vede k napájecímu zdroji s převodem, který trvale dosahuje napříč různými výkonovými profily PD přibližně 90% účinnosti.

Na obrázku 3 je ukázáno hlavní schéma zapojení síťové nabíječky USB-C PD 3.0 PPS založené na třech integrovaných obvodech, která dodává 65 wattů (20 voltů / 3,25 A).

Obrázek 3: V tomto řešení pro nástěnné nabíječky USB PD řídí řídicí jednotka FUSB15101 prostřednictvím optočlenu spínací regulátor QR typu flyback NCP1345 na primární straně spínaného zdroje AC/DC. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Programátoři spustí svou vlastní aplikaci napájecího zdroje USB PD pomocí vyhodnocovací desky NCP1342PD65WGEVB společnosti onsemi, uvedené na obrázku 4.

Obrázek 4: Pomocí vyhodnocovací desky nástěnné nabíječky USB-C PD 3.0 NCP1342PD65WGEVB mohou programátoři začít ihned. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Akumulační tlumivka této desky ve formě kompaktního transformátoru RM8 poskytuje výstupní výkon 60 wattů (20 voltů / 3 A). Kvazirezonanční spínací regulátor typu flyback NCP1342BMDCDD1R2G pracuje s napětím 9 až 28 voltů pouze z jednoho pomocného vinutí. Je vhodný pro vývoj vysoce výkonných offline výkonových měničů a adaptérů USB PD a nabízí rychlé překlápění frekvence („rapid frequency foldback“, RFF) pro lepší účinnost v celém rozsahu zatížení. Integrovaný aktivní vybíjecí kondenzátor X2 eliminuje potřebu vybíjecích rezistorů a umožňuje spotřebu energie bez zátěže do 40 mW.

Aplikace 2: řídicí jednotka proudu DC/DC pro port USB PD

V této aplikaci řídí řídicí jednotka USB PD FUSB15101 čtyřstupňovou řídicí jednotku s buck/boost zvyšovacím/snižovacím DC/DC měničem NCV81599MWTXG. To umožňuje rozšířit port USB-C, který je jinak omezen na 15 wattů, na zdroj napájení PD, který poskytuje více než 60 wattů a je napájen interním stejnosměrným napájením zařízení nebo baterií (obrázek 5).

Obrázek 5: V této aplikaci řídicí jednotky proudu portu DC/DC ovládá řídicí jednotka FUSB15101 přímo čtyřstupňovou řídicí jednotku s DC/DC měničem NCV81599. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Vývojáři mohou ušetřit čas a okamžitě začít testovat a programovat se zařízením NCV81599 pomocí vyhodnocovací desky FUSB3307MPX-PPS-GEVB. Tento obvod regulátoru proudu DC/DC převádí port USB na zdroj proudu PD 3.0 PPS, který dodává až 5 A při napětí sběrnice od 3,3 do 21 voltů (obrázek 6). Obvod je schopen detekovat kabely E-Marker a může být provozován samostatně nebo připojen k testovacímu zařízení.

Obrázek 6: FUSB3307MPX-PPS-GEVB je vyhodnocovací deska pro zařízení NCV81599, které mění porty USB na zdroj napájení PD 3.0 PPS. (Zdroj obrázku: společnost onsemi)

Napájecí zdroj DC nebo baterie napájí vstup V_BAT desky FUSB3307 4,5 až 32 volty. Obvod ovládá regulaci konstantního napětí (CV) nebo konstantního proudu (CC) a má ochranu proti přepětí, podpětí, zkratu, přehřátí a poruchám kabelu.

Programování desky FUSB15101

Firmware desky FUSB15010 je vysoce optimalizovaný ovladač řídicí jednotky typu C PD, který podporuje integrovaný procesor Arm Cortex M0+. Firmware má flexibilitu pro zpracování nových zpráv PD i dalších stavových toků typu C. Kód je uspořádán modulárně, odděluje zdrojový kód aplikace, vrstvu abstrakce hardwaru, kód závislý na platformě a základní funkce rozhraní USB typu C PD.

Základní funkce PD lze konfigurovat pomocí možností sestavení projektu nebo úpravou informačního souboru dodavatele „vif_info.h“. Základ kódu zahrnuje ukázkový projekt Eclipse, který lze zkompilovat pomocí prostředí IDE, což umožňuje rychlejší spuštění pro vyhodnocení samostatné řídicí jednotky typu C PD.

V tabulce 1 jsou shrnuty profily PD podporované deskou FUSB15101. PDO („power delivery object“) je objekt poskytování energie.

Tabulka 1: Uvedení profilů PD podporovaných deskou FUSB15101. (Zdroj tabulky: společnost onsemi)

Jak již bylo zmíněno, parametry nabíjecího profilu lze velmi snadno upravit v souboru „vif_info.h“. Následující kód ukazuje, jak změnit maximální proud v PDO 4 z 20 voltů / 3 A na 20 voltů / 3,25 A:

Aktuální hodnoty PDO:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20 000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3,00 A

Nové hodnoty PDO:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20 000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3,25 A

Další podrobnosti a pokyny pro instalaci prostředí IDE stejně jako pro import firmwaru a kompilaci binárního souboru naleznete v příručce FUSB15101EVBSPG.

Instalace programovacích nástrojů a postup jednorázového flashování jsou popsány v návodu k obsluze UM70086-D. Vhodným programovacím a ladicím adaptérem Arm Cortex-M pro usnadnění vývoje je 8.08.91 J-LINK EDU MINI od společnosti Segger Microcontroller Systems.

Kontrola komunikace PD

K ověření komunikace mezi dvěma zařízeními USB PD mohou vývojáři použít analyzátor protokolu CY4500 společnosti Infineon Technologies, který podporuje specifikace USB PD 3.0 a USB-C. Provádí neinvazivní testování a zachycuje přesné protokolové zprávy na vedení CC. Přidružený software pro analýzu EZ-PD podrobně uvádí všechny zprávy dialogu mezi dvěma zařízeními USB PD a kabelem EMCA (obrázek 7).

Obrázek 7: Analytický software EZ-PD sleduje dialog mezi dvěma zařízeními USB PD přes vedení CC. (Zdroj obrázku: společnost Infineon Technologies)

Závěr

I když je důležité porozumět základům protokolu USB PD, aby bylo možné přizpůsobit návrhy k vyhovění rostoucím požadavkům na napájení zařízení koncových uživatelů, jedná se o složitý protokol, který může vyžadovat rozsáhlé programování. K úspoře času mohou vývojáři použít předprogramované, vysoce integrované řídicí jednotky USB PD ke zvýšení výkonu 15 wattů USB-C na více než 100 wattů. Nabíječky AC/DC USB stejně jako porty DC/DC USB lze rozšířit o vlastní funkce PD jednoduchou konfigurací této řídicí jednotky PD. Proces vývoje usnadňuje využití vyhodnocovacích desek a analyzátoru protokolu PD.