Hur man snabbt ökar effektöverföringen från USB-C-enheter till 100 W med minimal programmering

USB-C-portar (Universal Serial Bus Type-C) blir allt vanligare, och många användare förlitar sig på att de ska leverera allt högre nivåer av elektrisk ström till en mängd olika anslutna enheter. Specifikationen för USB-C begränsar dock basströmförsörjningen för en enhet med "endast Type-C" till maximalt 15 Watt (5 V, 3 A).

För att övervinna denna begränsning kan konstruktörer lägga till USB Power Delivery (PD) och skapa en Type-C PD-enhet som kan leverera upp till 100 Watt (20 V, 5 A) i standardeffektområdet (SPR). Istället för att mödosamt programmera det omfattande USB PD-protokollet kan utvecklare nu enkelt konfigurera en PD-styrenhet direkt från hyllan och lägga till anpassad och optimerad PD-funktionalitet i AC-/DC-laddare och strömstyrda USB-portar.

Artikeln ger en översikt över de grundläggande kraven för PD-system. Därefter presenteras PD-styrenheten FUSB15101MNTWG från onsemi som visar hur man snabbt kan börja konfigurera den förprogrammerade styrenhetens firmware med hjälp av utvärderingskort, utvecklingsprogram, programmerings-/felsökningsadaptrar och en protokollanalysator för PD.

Switchad omvandlare med protokollstyrd effektreglering

Det fanns en tid då analoga väggladdare för batteridrivna apparater bestod av endast två komponenter: en transformator och en likriktare. Nu har behovet av högre effektivitet, större flexibilitet och ständig miniatyrisering kombinerats för att göra det komplicerat att driva även enkla elektroniska enheter. Dagens mikrocontrollerbaserade switchade omvandlare måste nu dynamiskt förhandla om sin uteffekt med anslutna smarta förbrukare via ett komplicerat protokoll.

USB PD är ett sådant protokoll. I version 3.1 koordinerar den upp till 240 W nätström via en intelligent USB Type-C Electronically Marked Cable Assembly (EMCA) anslutningskabel, samtidigt som den är bakåtkompatibel med äldre USB-standarder. Styrningen av den dynamiska PD-effektöverföringen via den 24-poliga USB-C-kontakten går dock långt utöver de styrspänningarna på datalinjerna i det klassiska fyrtrådiga USB-gränssnittet.

En USB PD-enhet kan fungera som strömkälla i en nedströmsriktad port (DFP), som strömförbrukare i en uppströmsriktad port (UFP) eller i ett DRP-läge (port med dubbla roller). En PD-källenhet kopplar pull-up-resistorn internt till två styrlinjer (CC1 och CC2); en PD-sänkenhet identifierar sig själv via interna pull-down-resisitorer.

De två CC-linjerna används samtidigt för att överföra PD-meddelanden med en längd på upp till 356 bitar med en klockfrekvens på 300 kHz (Figur 1). Korta kontrollmeddelanden koordinerar meddelandeflödet mellan två portpartners, medan längre datameddelanden används för att förhandla om strömmen och styra det inbyggda självtestet (BIST) eller överföra OEM-specifikt innehåll.

Figur 1: PD-meddelandets struktur kan dynamiskt bli upp till 356 bitar lång. (Bildkälla: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Effektförhandling mellan PD-enheter

USB PD 3.0 SPR definierar flera fasta spänningsnivåer mellan 5 och 20 V och stöder endast statiska effektprofiler på upp till 100 W. Med hjälp av PPS-tillägget (Programmable Power Supply) kan en USB-strömförbrukare i realtid begära en spänning från USB-strömkällan på mellan 3 och 21 V i steg om 20 mV, beroende på dess behov.

PPS förenklar därmed switchningselektroniken i den mobila enheten, minskar värmeutvecklingen och påskyndar laddningen genom att optimera effektmatchningen. USB PD 3.1 definierar ett utökat effektområde (EPR) upp till maximalt 240 W och använder en justerbar spänningsförsörjning (AVS) för att reglera busspänningen i ett högre intervall mellan 15 och 48 V.

Eftersom 3 A redan överstiger den strömkapacitet som vanliga USB-kablar har, föreskriver USB Implementers Forum (USB-IF) att speciella EMCA-kablar ska användas. Dessa har tjockare tråddimensioner och kabelisolering. E-Marker-kretsarna i kabelkontakterna bekräftar dessa förstärkta kabelegenskaper med hjälp av PD-protokollet. På så sätt påverkar de effektförhandlingarna mellan käll- och förbrukningsenheten.

PD-kommunikation använder speciella K-koder för att avgränsa meddelanden. Den speciella K-kodsekvens som anger början på en sekvens kallas Start Of Packet (SOP). Tre sekvenser är definierade: SOP, SOP' och SOP'', så att en DFP (en strömkälla som t.ex. en PD-nätverksladdningsadapter) kan kommunicera som initiativtagare med någon av de två E-Marker-kretsarna i EMCA-kabelanslutningarna, liksom med UFP (USB-strömkälla).

Flödesschemat i figur 2 visar meddelandeutbytet under en lyckad strömförhandling mellan två PD-enheter som är anslutna via en EMCA-kabel.

Figur 2: Här visas den framgångsrika strömförhandlingen mellan två USB PD-enheter via en EMCA-kabel. Anm: Rqt = Begäran (requestt), Ack = Acknowledge (bekräftelse). (Bildkälla: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Konfigurera istället för att programmera

PD-protokollets komplexitet innebär ett mödosamt programmeringsarbete för utvecklaren. En snabbare metod är att istället konfigurera en förprogrammerad USB PD-styrenhet med anpassade funktioner. Ett exempel på en styrenhet är onsemis FUSB15101MNTWG. Detta är en högintegrerad USB PD 3.1-styrenhet som kan styra primärsidans switchregulator i en AC/DC-adapter via en optokopplare, eller direkt styra en DC/DC-portströmregulator.

Denna allt-i-ett-lösning minimerar kretsens komplexitet genom optimerad kringutrustning, inklusive digital-till-analogomvandlare och analog-till-digital-omvandlare, NTC-temperaturavkänning och gatedrivkretsar för NMOS. Firmware med öppen källkod och API (Application Programming Interface) samt den Eclipse-baserade utvecklingsmiljön IDE (Integrated Development Environment) underlättar programmeringen.

FUSB15101 integrerar en högeffektiv Arm® Cortex® M0+-processor med ett UART-gränssnitt och stöder PPS-specifikationen genom att reglera utspänningen från 3,3 till 21 V. Den erbjuder programmerbar reglering av konstant spänning (CV) och konstant ström (CC) och kompenserar för kabelförluster. Dessutom finns skyddsfunktioner för överspänning, underspänning, överström och övertemperatur, samt dioder för överspänningsskydd på USB-C-kontaktens stift. PD-styrenheten stöder V_CONN-strömförsörjning för E-Marker-kretsen i EMCA-kablar, medan dess tomgångs- och vilolägen uppfyller kraven i Certificate of Conformity (CoC) och Design of Experiments (DOE).

Typiska tillämpningar är:

• USB PD-kompatibel AC/DC-adapter (se tillämpning 1)
• USB PD-kompatibla DC/DC-portar (se tillämpnng 2)

Tillämpning 1: AC/DC-strömförsörjning med USB PD-utgång

I den här tillämpningen styrs USB PD-styrenheten FUSB15101 den kvasi-resonanta (QR) switchade spänningsregulatorn NCP1345Q02D1R2G med flyback på primärsidan av ett switchat AC/DC-nätaggregat via en optokopplare. NCP1345 drivs med 9 till 38 V från en extern transformatorlindning och använder samtidigt en andra extern lindning för att generera en spänning som är fyra gånger högre för att ge tillräcklig kopplingsspänning för en MOSFET vid låga USB-utgångsspänningar på 3,3 volt. På sekundärsidan hanterar styrenheten NCP4307AASNT1G den synkrona likriktningen. Kombinationen av de tre integrerade kretsarna medför ett växlingsbart nätaggregat som konsekvent uppnår en verkningsgrad på ca 90 % i de olika PD-effektprofilerna.

Figur 3 visar huvudkretsschemat för en USB-C PD 3.0 PPS-nätladdare baserad på de tre integrerade kretsarna som levererar 65 W (20 V/3,25 A).

Figur 3: I denna lösning för en USB PD-väggladdare styr FUSB15101 switchregulatorn NCP1345 QR med flyback på primärsidan av den switchad AC/DC-strömförsörjningen. (Bildkälla: onsemi)

Programmerare startar sin egen tillämpning av USB PD-strömförsörjning genom att använda onsemis utvärderingskort NCP1342PD65WGEVB, enligt vad som visas i figur 4.

Figur 4: Med utvärderingskortet för väggladdaren NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0 kan programmerare komma igång direkt. (Bildkälla: onsemi)

Kortets lagringsdrossel, i form av en kompakt RM8-transformator, ger 60 W uteffekt (20 V/3 A). NCP1342BMDCDD1R2G är en kvasi-resonant switchad spänningsregulator med flyback som drivs av 9 till 28 V från endast en hjälplindning. Den är lämplig för utveckling av högeffektiva offline-strömomvandlare och USB PD-adaptrar, och har snabb frekvensåtergång (RFF) för förbättrad effektivitet i hela belastningsområdet. En integrerad aktiv X2-urladdningskondensator eliminerar behovet av urladdningsresistor och möjliggör en strömförbrukning under 40 mW vid tomgång.

Tillämpning 2: DC/DC-strömregulator för en USB PD-port

I denna tillämpning driver USB PD-styrenheten FUSB15101 step up/down buck/boost-DC/DC-omvandlaren NCV81599MWTXG Detta medför att en USB-C-port som annars är begränsad till 15 W kan utökas till en PD-strömkälla som ger mer än 60 W och försörjs av enhetens interna DC-strömförsörjning eller ett batteri (bild 5).

Figur 5: I denna tillämpning med strömstyrning för DC/DC-porten styr FUSB15101 den DC/DC-omvandlare med fyra steg som styrs av NCV81599 direkt. (Bildkälla: onsemi)

Utvecklare kan spara tid och omedelbart börja testa och programmera med NCV81599 genom att använda utvärderingskortet FUSB3307MP DCX-PPS-GEVB. Denna DC/DC-strömregulatorkrets omvandlar en USB-port till en PD 3.0 PPS-strömkälla, som ger upp till 5 A vid busspänningar från 3,3 till 21 via en optokopplare (bild 6). Kretsen kan känna av kablar med E-Marker och kan användas fristående eller ansluten till testutrustning.

Figur 6: FUSB3307MPX-PPS-GEVB är ett utvärderingskort för NCV81599 som omvandlar USB-portar till en PD 3.0 PPS-strömkälla. (Bildkälla: onsemi)

Ett likspänningsaggregat eller batteri förser ingången V_BAT på kortet FUSB3307 med 4,5 till 32 V. Kretsen hanterar konstant spänning (CV) eller konstant ström (CC) och har skydd mot överspänning, underspänning, kortslutning, övertemperatur och kabelfel.

Programmering av FUSB15101

Firmwaren i FUSB15010 är en mycket optimerad drivrutin för Type-C PD-styrenheter som stöder den integrerade processorn Arm Cortex M0+. Firmware är flexibel nog att hantera nya PD-meddelanden och ytterligare statusflöden för Type-C. Koden är organiserad på ett modulärt sätt och separerar tillämpningens källkod, lager för hårdvaruabstraktion, plattformsberoende kod och kärnfunktioner för USB Type-C PD.

Kärnfunktionerna för PD kan konfigureras via projektets byggalternativ eller genom att ändra leverantörens informationsfil "vif_info.h". Kodbasen innehåller ett exempelprojekt i Eclipse som kan kompileras med IDE, vilket ger snabbare start för utvärdering av den fristående styrenheten för Type-C PD.

Tabell 1 sammanfattar de PD-profiler som stöds av FUSB15101; PDO är power delivery object.

Tabell 1: Här visas de PD-profiler som stöds av FUSB15101. (Tabellkälla: onsemi)

Som nämnts kan parametrarna för en laddningsprofil ändras mycket enkelt i filen "vif_info.h". Följande kod visar hur man ändrar den maximala strömmen i PDO 4 från 20 V/3 A till 20 V/3,25 A:

Aktuella PDO-värden:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20 000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3 A

Ny PDO-värden:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20 000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3.25 A

Mer information och instruktioner för installation av IDE, samt import av firmware och kompilering av binärfilen, finns i guiden för FUSB15101EVBSPG.

Installationen av programmeringsverktygen och proceduren för engångsprogrammeringen beskrivs i användarhandboken för UM70086-D. En lämplig Arm Cortex-M programmerings- och felsökningsadapter för att underlätta utvecklingen är 8.08.91 J-LINK EDU MINI från Segger Microcontroller Systems.

Kontroll av PD-kommunikation

För att verifiera kommunikationen mellan två USB PD-enheter kan utvecklare använda Infineon Technologies protokollanalysator CY4500, som har stöd för specifikationerna USB PD 3.0 och USB-C. Den utför icke-invasiva tester och fångar upp korrekta protokollmeddelanden på CC-linjerna. Det tillhörande analysprogrammet EZ-PD listar alla meddelanden i en dialog mellan två USB PD-enheter och en EMCA-kabel i detalj (bild 7).

Bild 7: Analysverktyget EZ-PD spårar dialogen mellan två USB PD-enheter över CC-linjerna. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Sammanfattning

Även om det är viktigt att förstå grunderna i protokollet USB PD för att kunna anpassa konstruktioner till de ökande strömbehoven hos slutanvändarnas enheter, är det ett komplicerat protokoll som kan kräva omfattande programmering. För att spara tid kan utvecklare använda förprogrammerade, högintegrerade USB PD-styrenheter för att öka effekten hos USB-C från 15 till över 100 W. AC/DC-USB-laddare och DC/DC-USB-portar kan förses med anpassad PD-funktionalitet genom att helt enkelt konfigurera PD-styrenheten. Användning av utvärderingskort och en PD-protokollanalysator underlättar utvecklingsprocessen.