USB-C-PD-Design mit Standalone-PD-Controllern vereinfachen

Die Nachfrage für USB Power Delivery (PD) steigt weiter an, insbesondere bei tragbaren, batteriebetriebenen elektronischen Geräten wie Handys, Laptops, Elektrowerkzeugen und vielem mehr. USB-PD bietet Nutzern einen großen Vorteil, da bis zu 240 W – in der USB-PD Revision 3.1-Spezifikation – über denselben USB-Typ-C-Anschluss bereitgestellt werden können.

USB-PD stellt neue Anforderungen an die Stromversorgung, da eine Vielzahl von Spannungs- und Stromkombinationen zur Verfügung stehen, um den breiten Leistungsbereich des USB-PD-Standards abzudecken – beispielsweise 5 V, 9 V, 15 V, 20 V, 28 V, 36 V, 48 V und 1,5 A, 3 A, 5 A. Die Stromquelle, etwa ein Steckernetzteil, und die angeschlossenen Geräte, etwa ein Mobiltelefon, kommunizieren ihre Leistungsfähigkeiten beziehungsweise ihren Leistungsbedarf und stimmen die passenden Spannungs- und Stromstärken ab, bevor die Quelle Strom über das USB-Kabel liefert.

Einige Lösungen erfordern jedoch mehrere integrierte Schaltkreise (ICs), darunter Port-Detektoren, Mikrocontroller und Laderegler für die Stromversorgung. Diese Lösungen funktionieren zwar, nehmen aber Platz auf der Platine weg, erhöhen die Systemkosten und erfordern benutzerdefinierte Firmware, deren Erstellung zeitaufwendig sein kann. Ein eigenständiger PD-Controller kann helfen, diese Herausforderungen zu meistern, da er die Abstimmung der Stromversorgung ohne Firmware-Entwicklung regelt.

Einer der wichtigsten Vorteile von USB-PD ist, dass Nutzer ihr 2,5-W-Handy und ihren 25-W-Akkuschrauber mit demselben Kabel und Netzteil aufladen können. Die Zeiten, in denen Schubladen mit verschiedenen Kabeln überquollen und man trotzdem nie das richtige Ladegerät zur Hand hatte, gehören damit der Vergangenheit an.

Um einige Vorteile und Problemfelder von USB-PD zu verstehen, ist es wichtig, einen Blick auf die früheren USB-Standards zu werfen. Die ersten USB-Standards – USB 1.1 und USB 2.0 – waren hauptsächlich für die Datenübertragung und nicht für die Stromversorgung gedacht. Mit ihnen war nur eine maximale Stromversorgung von 5 V und 500 mA möglich.

Im Laufe der Zeit wurden die Anforderungen der Nutzer an USB jedoch immer höher. Sie wollten einen Akku schnell über ein USB-Kabel aufladen, weshalb eine maximale Stromstärke von 500 mA nicht mehr ausreichend war. Der BC1.2-Standard erfüllt diese Anforderungen, indem er die Übertragung von bis zu 7,5 W – 5 V und 1,5 A – über USB-Kabel ermöglichte. Der BC1.2-Standard erlaubt damit das Aufladen eines Akkus über USB, zudem wurde bei jedem neuen USB-Standard nach BC1.2 die Leistungskapazität erhöht. Typ-C 1.3 erweitert die Leistung auf maximal 15 W, während USB-PD 3.0 die Systemleistung bereits auf maximal 100 W erhöht. Die jüngste Spezifikationsaktualisierung, USB-PD3.1, erweitert die Leistungsfähigkeit sogar noch weiter auf maximal 240 W.

BC1.2 und Typ-C 1.3 liefern nach wie vor die 5-V-Spannungsschiene, die bereits in allen früheren Versionen des USB-Standards verwendet wurde. Außerdem wurde die Leistung auf 7,5 W beziehungsweise 15 W erhöht, indem der maximale Strom auf 1,5 A und 3 A angehoben wurde. USB-PD3.0 hat außerdem sowohl die Strom- als auch die Spannungsfähigkeit auf maximal 100 W erhöht. Damit können sogar zwei Geräte bis zu 20 V und 5 A über ein USB-Kabel übertragen. Die neue PD3.1-Spezifikation unterstützt dagegen bis zu 48 V und 5 A.

Bild 2 fasst die Leistungsfähigkeiten sowie die maximale Stromstärke und Spannung zusammen, die jeder USB-Standard zulässt.

Die Spannungsschienen, die eine USB-PD-Stromquelle bereitstellt, sind variabel. Der USB-PD-3.1-Standard besagt, dass eine Stromquelle nicht nur die Mindestspannung von 5 V und die Höchstspannung von 48 V bieten soll, sondern auch einige dazwischenliegende Spannungsschienen zur Verfügung stellen muss.

Der USB-PD 3.0-Standard verlangt, dass eine Stromquelle bestimmte Spannungsschienen bereitstellt, die von den Leistungsfähigkeiten der Quelle abhängen. Spannungsquellen, die mehr als 15 W liefern können, müssen 5-V- und 9-V-Schienen bieten. Quellen, die mehr als 27 W liefern, müssen 5-V-, 9-V- und 15-V-Schienen bereitstellen. Stromquellen, die mehr als 45 W liefern, müssen 5-V-, 9-V-, 15-V- und 20-V-Schienen bieten. Die Spannungsquelle bietet zudem unterschiedliche Stromausgänge an jeder dieser Spannungsschienen. Eine Stromquelle mit einer 5-V-Schiene liefert zwischen 500 mA und 3 A an dieser Schiene. Diejenigen mit einer 9-V-Schiene übertragen Ströme zwischen 1,67 A und 3 A bei 9 V. Auf der 15-V-Schiene liefert eine Stromquelle zwischen 1,8 A und 3 A und bei 20 V liefern sie zwischen 2,25 A und 5 A (Bild 3).

Der USB-PD 3.1-Standard fügt drei zusätzliche Spannungsschienen für Spannungsquellen hinzu. Die Quellen bieten feste Spannungsschienen mit 28 V, 36 V und 48 V, um eine Leistung von bis zu 140 W, 180 W beziehungsweise 240 W zu unterstützen. Für jede dieser Spannungsschienen muss eine Stromquelle bis zu 5 A liefern.

Zusätzlich zu den standardmäßigen Spannungs- und Stromversorgungen bietet die USB-PD-Spezifikation auch die Möglichkeit einer programmierbaren Stromversorgung (PPS). Die PPS-Fähigkeit ermöglicht es In-Line-Geräten, bei der Stromquelle kleine Anpassungen der Spannung und des Stroms anzufordern.

Die PPS-Fähigkeit ist besonders nützlich, um das Laden von Lithium-Ionen-Batterien zu beschleunigen, da der Ladevorgang für das Schaltladegerät optimiert wird. Während der Konstantstromphase eines Ladezyklus versorgt das Ladegerät die Batterie mit einem konstanten Strom, gleichzeitigt steigt die Spannung der Batterie langsam bis zur Ladeschlussspannung an. Normalerweise ist der Eingang des Ladereglers fest eingestellt, was jedoch zu Leistungsverlusten führt, wenn der Eingang des Ladereglers viel größer ist als die Batteriespannung. Die PPS-Funktion passt die Eingangsspannung des Ladegeräts so an, dass es nahe seines Spitzenwirkungsgrads arbeitet. Durch die daraus resultierende geringere Verlustleistung kann die Batterie bei höherem Ladestrom schneller geladen werden.

PPS ermöglicht unzählige Spannungs- und Stromkombinationen über ein USB-Kabel. Entwickler, die die PPS-Funktion nutzen möchten, müssen jedoch einen Weg finden, wie eine Stromquelle und ein In-Line-Gerät abstimmen können, wie viel Strom die Quelle liefern soll.

Der Beginn des Ladevorgangs ist bei einem diskreten USB-PD-System keine leichte Aufgabe. Eine Stromquelle, zum Beispiel ein Wandadapter, wird über ein USB-Kabel mit dem In-Line-Gerät, etwa einem Handy oder einem Akkuschrauber, verbunden. Beide Geräte benötigen in der Regel mehrere ICs, um die wechselseitige Kommunikation zu implementieren, damit die Stromquelle bereit ist, das In-Line-Gerät mit Strom zu versorgen (Bild 4).

Der CC-Pin-Erkennungs-IC (CC Pin Detection, Bild 4) identifiziert die Kabelausrichtung und die Stromquellenfähigkeit durch Messung der Spannung an den CC-Pins. Dieser IC fragt auch die Spannungs- und Stromfähigkeiten der Stromquelle ab und kommuniziert zurück an die Stromquelle, sobald das In-Line-Gerät eine Spannung und einen Strom auswählt.

Der BC1.2-Erkennungs-IC (BC1.2 Detection, Bild 4) unterstützt ältere USB-Adapter. Obwohl neuere Geräte immer häufiger USB-Typ-C verwenden, nutzen trotzdem viele Anwendungen weiterhin ältere USB-Spezifikationen. BC1.2-kompatible Ports haben D+/D--Pins anstelle von CC-Pins, um die Leistungsfähigkeiten einer Stromquelle zu kommunizieren. Der BC1.2-Erkennungs-IC liest darum die D+/D--Pins, um das Laden für Anwendungen zu konfigurieren, die ältere USB-Standards verwenden.

Der Laderegler lädt die Batterie des In-Line-Gerätes sicher und effektiv auf. Dabei liefert die Stromquelle eine konstante Spannung an das In-Line-Gerät, die Eingangsquelle des Ladereglers. Der Laderegler sorgt dann dafür, dass die Batterie gemäß den Spezifikationen für Spannung, Strom und Temperatur geladen wird.

Schließlich erledigt der Mikrocontroller-Block (MCU) die Kommunikation zwischen den anderen ICs. Die MCU kommuniziert mit dem CC-Pin-Erkennungs-IC, um die Leistungsfähigkeit der Stromquelle zu ermitteln. Anschließend vergleicht die MCU die Leistung der Stromquelle mit dem Strombedarf des Ladereglers und der Batterie, um zu bestimmen, wie viel Strom und Spannung die Stromquelle liefern soll. Die MCU kommuniziert die endgültigen Leistungseinstellungen zurück an den CC-Pin-Erkennungs-IC, um die Stromquelle korrekt zu konfigurieren. Sobald der richtige Strom und die richtige Spannung bestätigt wurden, konfiguriert und aktiviert die MCU den Laderegler.

USB-PD benötigt mehr Komponenten als herkömmliche USB- oder Standard-Typ-C-Designs. Mehr ICs führen zudem zu höheren Kosten und größeren Schaltungsgrößen. Außerdem ist ein komplexes Design der Firmware erforderlich, um die Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten zu verwalten und alle Anforderungen des USB-PD 3.0-Standards zu erfüllen. Allein das Design der Firmware kann zu längeren Entwicklungszyklen führen, es sei denn, ein Entwickler verfügt über fundierte Kenntnisse der USB-Spezifikationen.

Mit einem Standalone-PD-Controller kann das USB-PD-Design allerdings vereinfacht werden, da die CC-Pin-Erkennung, die BC1.2-Erkennung und die MCU in einem IC integriert sind. Aus dem Design mit vier ICs wird ein Design mit nur zwei ICs, was Platz auf der Leiterplatte und Kosten spart.

Das leistungsstärkste Element, das in den Standalone-PD-Controller integriert ist, ist die eingebettete MCU, die alle Kommunikationsprotokolle und Timing-Anforderungen des USB-PD-3.0-Standards integriert. Damit muss der Entwickler keine Entwicklungszeit mehr aufwenden, um sich mit diesen Spezifikationen vertraut zu machen.

Ein Beispiel für einen Standalone-PD-Controller ist der MAX77958 von Analog Devices (Bild 5). Zwei Merkmale des MAX77958 sind der nichtflüchtige Speicher und der I2C-Master-Port, der einen zugehörigen Laderegler direkt steuert. Beide Merkmale tragen dazu bei, dass weder eine externe MCU noch eine kundenspezifische Firmware-Entwicklung erforderlich sind.

Entwickler können über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) kundenspezifische Skripte für typische Anwendungen erstellen und diese dann in den nichtflüchtigen Speicher des ICs laden. Der PD-Controller führt automatisch Befehle aus, wie das Umschalten von GPIO oder das Senden eines I2C-Befehls an das Ladegerät über den I2C-Master-Port.

Das Anpassungsskript wird in der GUI mit einfachen, anwenderfreundlichen Befehlen geschrieben. Die Software übersetzt das Anpassungsskript in das hexadezimale Format und überträgt es in den IC-Konfigurationsbereich. Entwickler können somit einfache Funktionen und Sequenzen definieren, die auf der Funktion basieren, die sie für ihre Anwendung benötigen.

Bild 6 zeigt einige der Funktionen, die ein Entwickler zur Programmierung des Anpassungsskripts verwenden kann. Die GUI gibt eine binäre (bin) und hexadezimale (hex) Datei auf der Grundlage des Anpassungsskripts aus. Diese Anpassungsskripte eignen sich hervorragend, um die Entwicklungszeit drastisch zu reduzieren.

Die USB-PD-Spezifikation erweitert die Anzahl der batteriebetriebenen Geräte, die über ein USB-Kabel aufgeladen werden können, beträchtlich. Die Spezifikation beschreibt sieben neue Spannungsschienen – 5 V, 9 V, 15 V, 20 V, 28 V, 36 V und 48 V – um der großen Bandbreite an Stromversorgungsmöglichkeiten gerecht zu werden. Stromquellen und In-Line-Geräte müssen nun einen Strom- und Spannungspegel abstimmen, bevor der Ladevorgang beginnen kann.

Standalone-PD-Controller integrieren die meisten Blöcke in einem IC, was den Design-Prozess vereinfacht. Einige erfordern sogar weder eine externe MCU noch kundenspezifische Firmware. Mit eigenständigen PD-Controllern können Entwickler also ihre Produktentwicklung beschleunigen und sicherstellen, dass sie den neuesten Trends im Bereich USB-PD immer einen Schritt voraus sind. (prm)