Laststyrenheter för USB PD 3 ger högre effekt för tillämpningar med USB Type-C

Fönstret för proprietära laddare för enheter stängs snart eftersom regionala kontrollinstanser kommer att kräva en gemensam laddningslösning baserad på kabel och kontaktdon med standarden USB Type-C®. Produktutvecklare som vill hinna före de regionala kraven för att uppfylla denna standard kan optimera sina tillämpningar för den nya eran genom att använda laststyrenheter med USB Power Delivery (PD) som förhandlar fram effekten mellan enhet och laddare.

Efter december 2024 måste alla kabelanslutna, laddningsbara enheter som kräver upp till 100 W (bärbara datorer är tillfälligt undantagna från bestämmelsen fram till 2026) inom EU, använda USB Type-C som är kompatibel med USB PD för laddning. Andra bestämmelser för att denna standard ska börja användas träder i kraft i Indien och Saudiarabien 2025, följt av Kalifornien 2026.

USB Type-C kan på egen hand bara leverera 5 V vid 3 A, vilket ger totalt 15 W. För att uppnå 100 W krävs standarden USB PD 3.0 eller USB PD 3.1, som säkerställer att kontaktdon för Type C kan hantera högre spänningar och samtidigt överföra data med hög hastighet.

USB PD 3.0 stödjer effekter på upp till 100 W och fasta spänningar på 5, 9, 15 och 20 V, med en maximal ström på 5 A. Den uppdaterade standarden USB PD 3.1 har ett utökat effektområde och avancerad spänningsförsörjning, vilket ökar uteffekten ända upp till 240 W och lägger till tre nya fasta spänningar på 28, 36 och 48 V.

Standarderna USB PD 3.x förbättrar tidigare versioner av PD 2.0 med en ökning av den mängd information som utbyts mellan en last (den enhet som tar emot ström) och en källa (den enhet som levererar ström) för att inkludera faktorer som kan påverka tillämpningen, som t.ex. laddningsstatus för enhetens batteri, batteritemperatur, fel och överspänning.

Den effekt på 100 W som levereras via USB PD 3.0 är tillräcklig för att ladda vissa bärbara datorer, bildskärmar och till och med vissa TV-apparater. USB PD har även stöd för video- och ljudutgångar, inklusive DisplayPort och HDMI samt dataöverföringsprotokoll som t.ex. Thunderbolt 3.

Möjliggör förbättrade tillämpningar

Produktkonstruktörer kan dra nytta av USB PD 3.x för att ge användare en bättre upplevelse med snabbare laddning och dataöverföring samt enhetskompatibilitet genom att använda en enda typ av kabel och kontaktdon. De kan göra anspråk på att minska det elektronikavfall som uppstår när konsumenter och företag använder flera olika kablar och laddare för att ladda flera olika enheter.

Tekniken gör det möjligt för konstruktörer att göra konstruktionerna enklare, med färre portar och komponenter. Dessutom kan de kanske minska tillverknings- och fraktkostnaderna genom att minimera vikten och ta bort den extra laddaren, liksom den tid och ansträngning som krävs, för att uppdatera nya enhetsspecifika laddare.

Genom att använda en enda kabel och ett kontaktdon för flera olika funktioner kan konstruktörer fokusera på att skapa nya och förbättrade tillämpningar som drar nytta av den höga effekten och datahastigheten hos USB Type-C PD. De kan också förbättra användarupplevelsen och funktionaliteten hos sina produkter med ytterligare funktioner, som t.ex. dockningsstationer, hubbar och omvandlare, som utökar enheternas anslutningsmöjligheter och kompatibilitet.

När produktutvecklare utvecklar nya tillämpningar med USB PD 3.0 ställs de inför en del utmaningar, som t.ex. att följa standarden USB PD och garantera kompatibilitet med andra enheter och laddare.

Att förhindra skador till följd av överspänning, överström eller omvänd polaritet är en annan kritisk fråga, särskilt som lösningar med denna teknik använder mer komplexa kretsar och firmware än tidigare generationer. För att hantera utmaningar likt dessa finns styrenheter för strömförsörjning med stöd för flera olika protokoll och konfigurationer samt utvärderingskort som möjliggör snabb prototypframtagning och verifiering.

Sätta USB Type-C PD i arbete

En viktig del av USB PD 3.0 är möjligheten att förhandla fram och hantera effekten mellan en last och en strömkälla med hjälp av ett standardiserat protokoll. Laststyrenheter med USB PD förhandlar med en källa med USB PD, som t.ex. en laddare, för att hämta en enhets strömprofil. Kompatibla enheter kan begära och leverera varierande spänning och ström enligt sina behov och funktioner och justera effektnivåerna dynamiskt under drift.

Tillvägagångssättet för förhandling och hantering av effekten består av fyra steg:

• Upptäckt sker när lasten och källan identifierar varandra som enheter kompatibla med USB PD och upprättar en datakommunikationskanal via CC-stiften (Configuration Channel) på kontaktdonet för USB Type-C.
• Kapacitetsutbyte innebär att källan identifierar de effektprofiler som stöds – spännings- och strömnivåer – för lastkretsen, som sedan begär en profil som motsvarar kraven.
• Effektkontrakt är en metod för källan att acceptera eller avvisa lastens begäran. Om kontraktet accepteras börjar källan att leverera den begärda effekten till enheten med lasten med hjälp av de överenskomna effektparametrarna.
• Uppdatering av effektregler gör det möjligt för lasten eller källan att inleda en ny effektförhandling för att ta hänsyn till förändringar i batterinivåer eller last, eller förändringar i källans matning.

USB PD 3.0 använder utökade meddelanden som styr utbytet av information mellan en last och en källa som t.ex. batteristatus, temperatur eller tillverkarspecifik information. Den har också stöd för programmerbar strömförsörjning, vilket möjliggör en mer detaljerad styrning av källans utspänning och strömstyrka samt sömlös växling av effektroller mellan last och källa, utan att datakommunikationen störs.

En annan viktig egenskap hos USB PD 3.0 är omvänd laddning, vilket gör att en enhet med högre batterikapacitet kan ladda en enhet med lägre batterikapacitet, oavsett effektroll. Med samma USB Type C-kabel kan exempelvis en bärbar dator ladda en smartphone, eller så kan samma smartphone ladda ett headset, vilket är en uppenbar fördel för användaren som endast behöver bära med sig en kabel för att ladda flera enheter.

Det är inte säkert att alla enheter och laddare är kompatibla med omvänd laddning. Det kan dessutom leda till minskad batteritid för den enhet som fungerar som källa och öka komplexiteten och kostnaden vid kretskonstruktionen. Precis som med alla andra elektroniska tillämpningar måste produktutvecklare väga in kompromisser vid implementering av omvänd laddning för att säkerställa att de uppfyller standarden för USB PD 3.x och testa driftskompatibiliteten med en rad olika enheter och laddare.

Laststyrenheter för USB 3

För att aktivera funktionaliteten för USB PD 3.x i sina enheter kan produktutvecklare använda dedicerade styrenheter för last som stödjer källenhetens protokoll och hanterar kommunikationen med källenheten.

Diodes Incorporated erbjuder högintegrerade och kostnadseffektiva lösningar som tillhandahåller snabb laddning, omvänd laddning, PPS-läge och andra funktioner för USB PD 3.x. De stödjer även äldre protokoll, som t.ex. Qualcomm Quick Charge 4+ och Huawei FCP/SCP, vilket garanterar kompatibilitet med ett brett utbud av laddare och adaptrar.

AP33771 (figur 1) är en styrenhet för USB PD 3.0 med firmware som uppfyller kraven för USB PD 3.0 och ett gränssnitt med en förinstallerad effektmeny, vilket gör den enklare att använda. Den har en utgångskanal som kan leverera en effekt på upp till 27 W.

Figur 1: Stiftfördelning hos laststyrenheten AP33771. (Bildkälla: Diodes Incorporated)

AP33772 (figur 2) är en styrenhet för USB PD 3.0 som använder gränssnittet I²C och har en inbyggd firmware för att förhandla om effekt och spänning. Det ger konstruktörer större flexibilitet när det gäller att implementera all lastfunktionalitet för PD. Den har även två utgångskanaler som kan leverera en effekt på upp till 45 W och har en inbyggd krets för överspänningsskydd för respektive kanal som kan förhindra skador på enheten i händelse av en felaktig laddare eller kabel.

Figur 2: LaststyrenhetenAP33772 från Diodes Incorporated har samma storlek som AP33771, men med olika stiftlayout. (Bildkälla: Diodes Incorporated)

Diodes Incorporated har laststyrenheten AP33771C för USB PD 3.1 med stöd för EPR/AVS upp till 28 V och SPR (Standard Power Range)/PPS upp till 21 V.

Respektive styrenhet har låg strömförbrukning i standby-läge, hög verkningsgrad och termiska skyddsfunktioner. De finns i små kapslingar av typen W-QFN4040-24 (4 x 4 mm), vilket gör dem lämpliga för små och bärbara enheter.

Diodes Incorporated har dessutom två utvärderingskort för sina styrenheter med USB PD 3.0. AP33771-EVB och AP33772-EVB är båda utformade för laddningstillämpningar för enheter utrustade med kontaktdon för Type-C och PD-laddare eller adapter utrustad med kontaktdon för Type-C. AP33771-EVB använder en enkel resistorinställning för USB PD-förhandling medan AP33772-EVB använder I²C.

Sammanfattning

USB Type-C är på väg att bli den globala standarden för anslutning av dataenheter. Protokollen för USB PD 3.x ger produktutvecklare möjlighet att skapa tillämpningar som har högre effekt, snabbare laddning och bättre dataöverföring för deras enheter med hjälp av globalt accepterade kontaktdon och kablar, vilket eliminerar behovet av enhetsspecifika laddare. Med lösningar från Diodes Incorporated kan produktutvecklare enkelt integrera USB PD 3.0 eller PD 3.1 i sina enheter för förbättrad prestanda och en bättre användarupplevelse.