Använd en styrenhet för laddning med USB-C för att snabbt implementera snabbladdning utan fast programvara

Trenden med större skärmar, ökad prestanda och högre dataflöde i smartphones för 5G skapar ett behov av större batterikapacitet med snabb laddningskapacitet. Utmaningen för konstruktörer är att röra sig bortom konventionella laddningsmetoder med ineffektiviteter som kan leda till överhettning vid de effektnivåer som krävs för att möta ökande kundförväntningar på snabb laddning.

Introduktionen av den programmerbara strömförsörjningen (PPS) i USB Type-C® (USB-C) Power Delivery (PD) 3.0 gör det lättare att tillhandahålla en effektiv lösning, men den nödvändiga utvecklingen av fast programvara kan fortfarande fördröja produktleveransen.

Artikeln beskriver de problem som finns i samband med snabbladdning av 5G-telefoner och hur USB-C PD 3.0 PPS kan hjälpa konstruktörer att effektivt möta behovet av allt snabbare laddning av större batterier. Den introducerar och visar hur konstruktörer kan använda en högintegrerad styrenhet för USB-C från ON Semiconductor som implementerar USB-C PD 3.0 PPS i en finit tillståndsmaskin (FSM). Detta eliminerar behovet av utveckling av fast programvara, vilket påskyndar implementeringen av snabb laddning för nästa generation av laddare.

Mer kraftfulla smartphones skapar nya utmaningar för snabbladdningsadaptrar

Smartphones med 5G förväntas stå för över 50 % av den totala leveranserna av smartphones till år 2023, enligt marknadsanalytiker. Genom att använda telefonerna för att dra nytta av 5G-tjänster kommer användarna dock att upptäcka att den befintliga basen av telefonladdare och laddningsstationer inte kommer att passa särskilt bra för denna nya generation av smartphones.

Som vi redan sett i 5G-telefoner som t.ex. Samsung S20 Ultra 5G, erbjuder dessa sofistikerade enheter större skärmar, samt ökad bearbetningskapacitet och mycket större dataflöde än vad som var tillgängligt på telefoner i den föregående generationen. För att matcha de större skärmarna och motsvarande högre strömförbrukning har tillgängliga 5G-telefoner redan större batterier. Samsung S20 Ultra 5G har exempelvis en 6,9-tums skärm och ett batteri på 5 000 milliamperetimmar (mAh)—25 % högre kapacitet än den föregående modellen.

När kunderna förväntar sig längre batteritid från batterier med större kapacitet, förväntar de sig också att laddningstiderna blir ännu kortare—snarare än 25 % längre. För tillverkare som vill möta den växande efterfrågan på laddningsstationer i fordon, hem och kontor blir behovet av att minska laddningstiden för batterier med högre kapacitet en betydande utmaning på grund av begränsningar i själva batterierna.

Tillverkare av litiumjonbatterier (Li-ion) anger strikta grändsvärden för laddningsström och laddningsspänning. Ett vanligt litiumjonbatteri med märkningen 1000 mAh är normalt klassat för en laddningshastighet på 0,7 C eller 700 mA laddningsström. Om det tillämpas på ett helt urladdat batteri med 5 000 mAh skulle en laddningshastighet på 0,7 C (eller 3500 mA laddningsström) kräva cirka 45 minuter bara för att nå ett laddningstillstånd på 50 %.

Mer avancerade teknologier för battericeller kan hantera laddningshastigheter på över 1 C, men både laddaren och den enhet som ska laddas måste tåla avsevärt högre effektnivåer. Ett batteri på 5 000 mAh som exempelvis laddas med en högre hastighet på 1,5 C skulle bara behöva ca 22 minuter för att ladda från 0 % till 50 %, men laddningsströmmen på 7,5 ampere (A) kan orsaka komponentslitage och skapa en överdriven termisk belastning även i mycket effektiva laddningssystem. Faktum är, att med den breda acceptansen av USB-C som branschens standardgränssnitt för ström och annan funktionalitet, skulle en kompatibel laddare begränsas av den maximala ström som kan levereras via en USB-C kabel. Den maximala strömmen är 5 A för USB-C kablar som innehåller en emarker-krets som förser anslutna enheter med information om kabeln. (för kablar utan emarker-krets, är den maximala strömmen 3 A).

Tillverkare av mobila enheter kan givetvis övervinna denna begränsning genom att sätta in en laddningspump mellan strömförsörjningen och batteriladdningskretsen. För att exempelvis stödja ett laddningssystem på 7,5 A, måste en reseadapter kunna leverera 10 V vid 4 A, och förlita sig på en typisk delning med två laddningspumpar för att mata ut 5 V vid cirka 8 A till laddningskretsen. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för en reseadapter att öka USB-C-spänningen (VBUS) samtidigt som den bibehåller en strömnivå som är kompatibel med USB-C.

Ökad laddningseffekt kräver effektivare styrning

Stöd för VBUS-nivåer över 5 V har möjliggjort användning av detta tillvägagångssätt med hög spänning och låg ström. Specifikationen för USB PD 2.0 definierar en serie fasta leveransobjekt som specificerar kombinationer av fasta spänningsnivåer (5, 9, 15 och 20 V) och strömmar (3 och 5 A).

Även om de fasta leveransobjekten för USB PD 2.0 möjliggör en högre laddningseffekt, kan inställning av laddningsspänning och laddningsström på fasta nivåer som är för höga eller för låga resultera i en ineffektiv laddning, oacceptabla termiska belastningar och komponentslitage. I praktiken fungerar laddningskretsar med optimal effektivitet när deras ingångsspänning (levererad av VBUS i USB-C) ligger något över utspänningen (batterispänning). Eftersom batterispänningen ändras kontinuerligt vid normal drift är det dock en utmaning att upprätthålla denna punkt med optimal laddningseffektivitet. När batteriet laddas ur kommer skillnaden mellan batterispänningen och laddningsspänningen (VBUS) i USB-C att öka, vilket minskar laddningseffektiviteten. Och omvänt, när batteriet blir laddat måste laddningskretsen minska laddningsströmmen för att skydda batteriet.

Utan förmåga att direkt minska laddningsnivåerna från reseadaptern ökar effektförlusten, vilket sänker effektiviteten och genererar värme. Detta leder till att den optimala laddningsnivån ständigt förändras, ofta stegvis, vilket kräver en motsvarande stegvis nivå på styrningen av laddningsspänning och ström för att uppnå maximal effektivitet.

Hur USB-C PD 3.0 PPS förbättrar effektiviteten

Funktionen USB-C PD 3.0 PPS är utformad för att tillgodose det växande behovet av effektivare laddning med högre laddningseffekt, låter den enhet som laddas (sänke) begära att laddaren (källa) ökar eller minskar laddningsspänningen och strömmen i mV- och mA-steg som annonseras i förbättrade leveransobjekt. Med denna funktion kan ett sänke ställa in spänningen och strömmen för sin källa för att optimera laddningseffektiviteten.

Introduktionen av PPS förändrar laddningsprocessens funktion radikalt. Tidigare styrde och utförde källans laddare laddningsalgoritmen. Med PPS förflyttas kontrollen av laddningsalgoritmen till sänket, vilket kräver att källan utför algoritmen enligt instruktionerna från sänket.

Med PPS kommunicerar en smartphone eller annat sänke med en laddningskälla för att optimera leveransen av ström och når fram till ett ömsesidigt godtagbart ”kontrakt” för strömleverans, genom ett förhandlingsprotokoll som involverar ett kort utbyte enligt följande:

1. Källan känner av om anslutningskabeln klarar 5 A
2. Källan annonserar sin källspänning och strömkapacitet enligt beskrivningen i upp till sju leveransobjekt
3. Sänket begär ett av de annonserade leveransobjekten
4. Källan accepterar det begärda leveransobjektet
5. Källan tillhandahåller effekten med de överenskomna spännings- och strömnivåerna

Avancerade mobila enheter som Samsungs 5G-telefon som nämnts tidigare, använder denna funktion för snabb laddning med kompatibla laddare. För tillverkare som utformar snabbladdningsadaptrar och bygger laddningsstationer till andra produkter, skulle implementering av denna typ av laddningsprotokoll vanligtvis kräva utveckling av fast programvara för styrenheter som kan utföra protokollet och driva tillhörande kraftenheter. För en väletablerad standard som USB-C PD PPS finns dock, en FSM-lösning som ett effektivt alternativ, vilket eliminerar behovet av utveckling av fast programvara som kan försena leveransen av slutprodukten. Genom att använda en FSM-implementering av USB-C PD 3.0 inklusive PPS, i form av den anpassningsbara källstyrenheten för laddning FUSB3307 från ON Semiconductor påskyndas utvecklingen av laddare som kan uppfylla de snabba laddningskraven för nästa generation av smartphones och andra mobila enheter med högkapacitetsbatterier.

Integrerad styrenhet för USB-C PD 3.0-kompatibla snabbladdare

FUSB3307 från ON Semiconductor är en integrerad styrenhet för strömkällan som möjliggör implementering av USB-C PD 3.0 PPS utan behov av en extern processor. Tillsammans med kabelavkänning, gatedrivkrets för belastning, flera skyddsfunktioner och reglering av konstant spänning (CV) och konstant ström (CC) integrerar enheten hela PD 3.0 Device Policy Manager-, Policy Engine-, Protocol- och PHY-lager i hårdvara.

FUSB3307 är utformad för att stödja både AC/DC- och DC/DC-laddare och kan ge en fullständig uppsättning svar som är lämpliga för en PD-strömkälla. Detta medför att konstruktörer kan implementera en USB-C PD 3.0-kompatibel strömförsörjningskälla med FUSB3307 och relativt få externa enheter och komponenter.

När FUSB3307 är ansluten till ett sänke, kommer den automatiskt att upptäcka kapaciteten hos den sänkande enheten och anslutningskabeln, och annonsera sina funktioner i enlighet med specifikationen för USB-C. När sänket svarar med valet av ett leveransobjekt som stöds, kommer FUSB3307 att aktivera kretsar för VBUS och effektstyrning för att säkerställa att den begärda laddningsspänningen och laddningsströmmen levereras till sänket.

Eftersom FUSB3307 integrerar en fullständig uppsättning styrfunktioner förblir de grundläggande funktionerna principiellt desamma för både AC/DC- och DC/DC-laddare. Som svar på kommandon från sänket, använder FUSB3307 i källan sin CATH-utgång för att driva en återkopplande styrsignal till källans effektsteg. Vid laddningsåtgärder övervakar FUSB3307 laddningsspänningen med hjälp av sitt VFB-stift och laddningsströmen detekteras av ett avkänningsmotstånd med hjälp av dess IS+/IS-stift. Dessa övervakade nivåer matas i sin tur in i interna kretsar för spännings- och strömslingefel kopplade till spänningsstiftet (VFB) och strömstiftet (IFB) Dessa signaler arbetar i sin tur för att styra CATH-stiftet för styrning av CV och CC. Andra stift i FUSB3307:s 14-stifts SOIC-kapsling har stöd för gatedrivkretsen för belastningen, gränssnittet för USB-C-anslutningen och skyddsfunktioner.

Källstyrningen FUSB3307 förenklar laddarens konstruktion

Konstruktioner för respektive typ av laddare kommer naturligtvis att använda olika konfigurationer för den primära CATH-utgången, VFB-ingången och andra stift. I en väggladdare eller adapter för AC/DC skulle FUSB3307 övervaka spänning och ström på sekundärsidan och skicka återkoppling för styrningen till primärsidan (figur 1).

Figur 1: I en AC/DC-konstruktion för en väggladdare eller adapter svarar FUSB3307 på kommandon från en sänkande enhet för olika laddningsspänningar genom att styra PWM-styrenheten via en isolerande optokopplare. (Bildkälla: ON Semiconductor)

I denna laddningskonstruktion skulle CATH-utgången på FUSB3307 typiskt ansluta till en optokopplares katod på sekundärsidan för att ge en återkopplande styrsignal till en styrenhet med pulsbreddsmodulering (PWM) på primärsidan, såsom NCP1568 från ON Semiconductor. På sekundärsidan skulle ingångarna för avkänning av spänning och ström på FUSB3307 övervaka utgångarna från en synkron likriktarstyrning, som t.ex. NCP4308 från ON Semiconductor.

I en konstruktion av en DC/DC-laddare som används i exempelvis en tillämpning för bilar, styr FUSB3307 DC/DC-styrenheten direkt. Här är CATH-återkopplingssignalen på FUSB3307 ansluten till kompensationsstiftet (COMP) på en DC/DC-styrenhet, som t.ex. NCV81599 från ON Semiconductor (figur 2).

Figur 2: I en konstruktion av en DC/DC-laddare för en billaddare styr FUSB3307 spänningsutgången från en DC/DC-styrenhet direkt, och höjer eller sänker utgången enligt kommadona från ett sänke, såsom en 5G-telefon eller annan mobil enhet. (Bildkälla: ON Semiconductor)

ON Semiconductor implementerar denna specifika konstruktion av en DC/DC-laddare i sitt utvärderingskort FUSB3307MX-PPS-GEVB för FUSB3307. Kortet är konstruerat för att arbeta med en likströmsförsörjning och tillhandahåller en komplett laddningskälla som uppfyller USB PD 3.0 med PPS och ger 5 A ström (max) vid VBUS-nivåer från standardens lägsta 3,3 V till det maximalt 21 V.

Utvärderingskortet gör det möjligt för utvecklare att utforska interaktionen mellan FUSB3307 och enheter som är kompatibla med USB PD 3.0 samt äldre enheter med USB PD 2.0. Konstruktörer kan börja utforska snabbladdningsprocessen direkt, genom att övervaka den VBUS-spänning och ström som levereras av kortet till en USB-C PD-kompatibel enhet såsom en bärbar dator eller smartphone.

Detta tillvägagångssätt ger en särskild inblick i FUSB3307:s förmåga att interagera med en vanlig 5G-telefon med USB PD 3.0, liksom telefonens användning av protokollet USB PD 3.0 PPS för att optimera laddningsspänning och laddningsström. I en demonstration av denna förmåga^[1], visade sig en vanlig Samsung S20 Ultra 5G utfärda en serie kommandon till utvärderingskortet FUSB3307MX-PPS-GEVB för att modifiera laddningsspänningen och laddningsströmmen i både stora och små steg (figur 3).

Figur 3: Utvärderingskortet FUSB3307MX-PPS-GEVB från ON Semiconductors visar förmågan hos FUSB3307 att svara på en vanlig 5G-telefons kommandon för att finjustera laddningsspänning och laddningsström. (Bildkälla: ON Semiconductor)

När kortet och telefonen är anslutna i denna demonstration väljer 5G-telefonen leveransobjektet för baslinjen (5 V och max 5 A) som visas i de första 10 sekunderna av diagrammet. I denna fas är laddningsspänningen (VBUS) 5 V och 5G-telefonen sänker cirka 2 A laddningsström (IBUS). 5G-telefonen begär sedan ett förbättrat leveransobjekt som deklarerar källans förmåga att leverera 8 volt vid 4 A. FUSB3307 uppfyller denna begäran och ändringen är omedelbar: VBUS hoppar till 8 volt enligt begäran och IBUS visar en gradvis ökning då 5G-telefonen successivt höjer till den ökade IBUS-strömmen.

Efter detta skarpa hopp i VBUS blir de stegvisa ökningarna i laddningseffekt som är möjliga med PPS uppenbara. 5G-telefonen begär en ökning med 40 millivolt (mV) i VBUS ungefär varje 210 millisekunder (ms), vilket gradvis ökar VBUS till ännu högre nivåer. När IBUS når 4 A (streckad grön linje i diagrammet) använder FUSB3307 standardprotokollet PPS för att utfärda ett varningsmeddelande som meddelar 5G-telefonen att den begärda aktuella gränsen har uppnåtts. 5G-telefonen fortsätter att utfärda förfrågningar om ytterligare ökningar av VBUS i steg om 40 mV och når så småningom 9,8 volt. Vid daglig användning kan denna typ av anpassningsbar laddningskapacitet uppnå den maximala laddningseffektivitet som krävs för snabbladdning utan överhettning eller genom att på annat sätt äventyra sänket.

Med hjälp av utvärderingskortet FUSB3307MX-PPS-GEVB från ON Semiconductor kan konstruktörer omedelbart utforska användningen av USB-C PD i befintliga enheter och utöka kortets tillhörande referensdesign för att implementera anpassad snabbladdning i enheter som uppfyller USB PD 3.0. Det bästa av allt är att implementeringen inte kräver någon utveckling av fast programvara. Med FUSB3307 använder konstruktörer välkända tekniker för strömförsörjning för att bygga adaptrar som kan dra full nytta av de snabba laddningsfunktionerna i nästa generation av 5G-telefoner och andra kompatibla enheter.

Slutsats

Även om 5G-telefoner ger användare en mängd nya funktioner och kapaciteter, är de större batterier som krävs för att stödja dessa enheter en utmaning för konstruktörer. De måste i synnerhet se till att reseadaptrar och laddningsstationer levererar snabb laddning utan att telefonen överhettas.

Den anpassningsbara laddningsstyrenheten FUSB3307 från ON Semiconductors, med sina helt kompatibla funktioner för USB PD 3.0 PPS och inget behov av utveckling av fast programvara, är en omedelbar konstruktionslösning. Genom att använda styrenheten tillsammans med välbekanta enheter och komponenter för strömförsörjning kan konstruktörer snabbt implementera adaptrar som kan stödja en snabbt växande bas av USB PD 3.0-kompatibla 5G-telefoner och andra mobila enheter.

Referens

1. Konvergens av 5G, snabbladdning och programmerbara strömförsörjningar för USB-C