Bild 1: Ab Dezember 2024 muss in der Europäischen Union jedes kabelgebundene, aufladbare Gerät, das bis zu 100 W Leistung benötigt, den USB-Typ-C-Ladeanschluss verwenden, der den USB-PD-Spezifikationen entspricht.(Bild: tanaonte - stock.adobe.com)
USB-PD-3-Senkencontroller optimieren USB-Typ-C-Anwendungen durch gesteigerte Effizienz und vielseitige Lademöglichkeiten. USB-C ermöglicht eine schnellere und sichere Stromversorgung und ist für Geräte bis 100 W ab Dezember 2024 in der EU Pflicht.
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Das Zeitfenster für proprietäre Ladegeräte schließt sich schnell, da regionale Regulierungsbehörden dazu übergehen, eine gemeinsame Ladelösung auf der Grundlage eines Kabels und Steckverbinders gemäß dem Standard USB Typ-C zu verlangen. Ab Dezember 2024 muss in der Europäischen Union jedes kabelgebundene, aufladbare Gerät, das bis zu 100 W Leistung benötigt (Laptops sind vorübergehend bis 2026 von der Vorschrift ausgenommen), den USB-Typ-C-Ladeanschluss verwenden, der den USB-PD-Spezifikationen entspricht. Weitere Vorschriften zur Übernahme dieser Norm treten 2025 in Indien und Saudi-Arabien in Kraft, gefolgt von Kalifornien im Jahr 2026.
Bild 2: USB Typ-C allein kann nur 5 V bei 3 A liefern, also insgesamt 15 W. Um 100 W zu erreichen, sind Spezifikationen wie USB PD 3.0 oder USB PD 3.1 erforderlich.(Bild: Just Jus - stock.adobe.com)
USB Typ-C allein kann nur 5 V bei 3 A liefern, also insgesamt 15 W. Um 100 W zu erreichen, sind Spezifikationen wie USB PD 3.0 oder USB PD 3.1 erforderlich, die sicherstellen, dass Typ-C-Stecker höhere Spannungen bewältigen und gleichzeitig mit hoher Geschwindigkeit Daten übertragen können.
USB PD 3.0 unterstützt eine Leistung von bis zu 100 W und feste Spannungen von 5 V, 9 V, 15 V und 20 V bei einem maximalen Strom von 5 A. Die aktualisierte Spezifikation USB PD 3.1 bietet einen erweiterten Leistungsbereich (Extended Power Range, EPR) und eine erweiterte Spannungsversorgung (Advanced Voltage Supply, AVS), die die Ausgangsleistung auf bis zu 240 W erhöht und drei neue Festspannungen von 28 V, 36 V und 48 V hinzufügt.
Die USB-PD-3.x-Spezifikationen verbessern die früheren PD-2.0-Versionen, indem sie die Menge an Informationen, die zwischen einer Senke (dem Gerät, das Strom empfängt) und einer Quelle (dem Gerät, das Strom liefert) ausgetauscht werden, erhöhen, um Faktoren einzubeziehen, die sich auf die Anwendung auswirken können, wie z. B. den Ladestatus der Gerätebatterie, die Batterietemperatur, Ausfälle und Überspannung.
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Die über USB PD 3.0 gelieferte Leistung von 100 W reicht aus, um einige Laptops, Monitore und sogar einige Fernsehgeräte zu laden. USB PD unterstützt auch Video- und Audioausgabe, einschließlich DisplayPort und HDMI, sowie Datenübertragungsprotokolle wie Thunderbolt 3.
Das sind die Vorteile des USB-Typ-C-Standards für Entwickler und Anwender
Bei der Produktentwicklung können die Vorteile von USB PD 3.x genutzt werden, um ein besseres Nutzererlebnis mit schnellerer Aufladung und Datenübertragung sowie Gerätekompatibilität mit einem einzigen Kabel und Stecker zu bieten. Dabei kann man auch für sich in Anspruch nehmen, den Elektroschrott zu reduzieren, der bei Verbrauchern und Unternehmen durch die Verwendung mehrerer Kabel und Ladegeräte zum Aufladen mehrerer Geräte anfällt.
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Diese Technologie ermöglicht es, Entwürfe mit weniger Anschlüssen und Komponenten zu vereinfachen. Darüber hinaus können die Herstellungs- und Versandkosten gesenkt werden, da das Gewicht und die zusätzliche Verpackung der Ladegeräte wegfallen und die Aktualisierung neuer gerätespezifischer Ladegeräte weniger Zeit und Mühe erfordert.
Durch die Verwendung eines einzigen Kabels und Steckers für mehrere Funktionen können sich Entwicklungsteams auf die Entwicklung neuer und verbesserter Anwendungen konzentrieren, die die hohe Leistung und Datenrate von USB Typ-C PD nutzen. Darüber hinaus können sie das Benutzererlebnis und die Funktionalität ihrer Produkte durch zusätzliche Funktionen wie Docking-Stationen, Hubs und Wandler verbessern, die die Vernetzung und Kompatibilität von Geräten erweitern.
Bei der Entwicklung neuer Anwendungen, die USB PD 3.0 nutzen, stehen Entwicklungsteams vor einigen Herausforderungen, wie z. B. der Einhaltung der USB-PD-Spezifikation und der Gewährleistung der Interoperabilität mit anderen Endgeräten und Ladegeräten.
Die Vermeidung von Schäden oder Verletzungen durch Überspannung, Überstrom oder Verpolung ist ein weiterer kritischer Punkt, zumal Lösungen, die diese Technologie nutzen, komplexere Schaltungen und Firmware verwenden als frühere Generationen. Um diese Herausforderungen zu meistern, gibt es Stromversorgungs-Controller, die mehrere Protokolle und Konfigurationen unterstützen, sowie Evaluierungsboards, die eine schnelle Prototypenerstellung und Verifizierung ermöglichen.
Ein Schlüssel zu USB PD 3.0 ist die Fähigkeit, die Stromversorgung zwischen einer Senke und einer Stromquelle über ein standardisiertes Protokoll auszuhandeln und zu verwalten. USB-PD-Senkencontroller verhandeln mit einer USB-PD-Quelle, z. B. einem Ladegerät, um das Leistungsprofil eines Geräts zu erfassen. Konforme Geräte können je nach Bedarf und Fähigkeiten unterschiedliche Spannungen und Ströme anfordern und liefern und die Leistungspegel während des Betriebs dynamisch anpassen.
Der Prozess der Verhandlung und Verwaltung der Stromlieferung besteht aus vier Phasen:
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Die Erkennung erfolgt, wenn die Senke und die Quelle sich gegenseitig als USB-PD-kompatible Geräte identifizieren und einen Datenkommunikationskanal über die Konfigurationskanalstifte (CC) am USB-Typ-C-Stecker aufbauen.
Beim Kapazitätsaustausch gibt die Quelle ihre unterstützten Leistungsprofile (Spannungs- und Stromwerte) an die Senke weiter, die dann ein Profil anfordert, das ihren Anforderungen entspricht.
Der Leistungsvertrag ist ein Verfahren, mit dem die Quelle die Anfrage der Senke annehmen oder ablehnen kann. Wenn sie akzeptiert wird, beginnt die Quelle, die angeforderte Leistung an die Senke zu liefern, wobei die vereinbarten Leistungsparameter verwendet werden.
Die Aktualisierung der Leistungsregel ermöglicht es der Senke oder der Quelle, eine neue Leistungsaushandlung einzuleiten, um Änderungen des Batteriestands oder der Belastung der Senke oder Änderungen der Eingangsleistung der Quelle zu berücksichtigen.
USB PD 3.0 verwendet erweiterte Nachrichten, die den Austausch von Informationen zwischen einer Senke und einer Quelle regeln, z. B. Batteriestatus, Temperatur oder herstellerspezifische Daten. Es unterstützt auch den programmierbaren Stromversorgungsmodus (PPS), der eine feinere Steuerung der Ausgangsspannung und des Stroms der Quelle sowie einen nahtlosen Wechsel der Stromversorgungsrollen zwischen Senke und Quelle ohne Unterbrechung der Datenkommunikation ermöglicht.
Eine weitere Schlüsselfunktion von USB PD 3.0 ist das „Reverse Charging“ (umgekehrtes Laden), mit dem ein Gerät mit höherer Akkukapazität ein Gerät mit geringerer Akkukapazität laden kann, unabhängig von der jeweiligen Rolle bei der Leistungsverteilung. So kann zum Beispiel ein Laptop mit demselben USB-Typ-C-Kabel ein Smartphone aufladen, oder dasselbe Smartphone kann ein Headset aufladen, ein offensichtlicher Vorteil für Endgerätenutzer, die nur ein einziges Kabel zum Aufladen mehrerer Geräte mit sich führen können.
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Das umgekehrte Laden ist möglicherweise nicht mit allen Endgeräten oder Ladegeräten kompatibel. Außerdem kann sich die Lebensdauer der Batterie des als Quelle dienenden Geräts verkürzen und die Komplexität und Kosten des Schaltungsentwurfs erhöhen. Wie bei allen elektronischen Anwendungen müssen Entwicklungsteams die Nachteile der Implementierung von Reverse Charging abwägen, um sicherzustellen, dass sie die Spezifikationen von USB PD 3.x einhalten, und die Interoperabilität mit einer Reihe von Geräten und Ladegeräten testen.
So funktionieren USB-3-Senkencontroller
Um die Funktionalität von USB PD 3.x in ihren Geräten zu aktivieren, können Entwicklungsteams spezielle Senkencontroller verwenden, die das Protokoll unterstützen und die Kommunikation mit dem Quellgerät übernehmen.
Diodes Incorporated bietet hochintegrierte und kosteneffiziente Lösungen, die Schnellladung, Reverse Charging, PPS-Modus und andere Funktionen von USB PD 3.x ermöglichen. Sie unterstützen auch ältere Protokolle wie Qualcomm Quick Charge 4+ und Huawei FCP/SCP und gewährleisten so die Kompatibilität mit einer breiten Palette von Ladegeräten und Adaptern.
Der AP33771 (Bild 3) ist ein USB-PD-3.0-Controller, der über eine USB-PD-3.0-konforme Firmware und eine Schnittstelle mit einem vorinstallierten Power-Menü verfügt, was die Verwendung vereinfacht. Er bietet einen Ausgangskanal, der bis zu 27 W Leistung liefern kann.
Bild 3: Der USB-PD-3.0-Controller AP33771 verfügt über eine Schnittstelle mit einem vorinstallierten Power-Menü. Sein Ausgangskanal liefert bis zu 27 W Leistung.(Bild: Diodes)
Der AP33772 (Bild 4) ist ein USB-PD-3.0-Controller, der eine I²C-Schnittstelle und eine integrierte Firmware zur Aushandlung von Strom und Spannung verwendet. Dies bietet eine größere Flexibilität bei der Implementierung aller PD-Senkenfunktionen. Das Bauteil bietet außerdem zwei Ausgangskanäle, die bis zu 45 W Leistung liefern können, und verfügt über einen eingebauten Überspannungsschutz (OVP) für jeden Kanal, der im Falle eines defekten Ladegeräts oder Kabels Schäden am Endgerät verhindern kann.
Bild 4: Der AP33772 besitzt eine I2C-Schnittstelle und eine integrierte Firmware zur Aushandlung von Strom und Spannung.(Bild: Diodes)
Diodes bietet auch einen Senkencontroller für USB PD 3.1, den AP33771C, der EPR/AVS bis zu 28 V und Standard Power Range (SPR)/PPS bis zu 21 V unterstützt.
Jeder dieser Controller bietet einen niedrigen Standby-Stromverbrauch, hohe Effizienz und thermische Schutzfunktionen. Sie sind in Gehäusetypen W-QFN4040-24 mit kleinem Footprint (4 mm x 4 mm) erhältlich und eignen sich daher für kompakte und tragbare Geräte.
Darüber hinaus bietet Diodes zwei Evaluierungsboards für seine USB-PD-3.0-Controller an. Das AP33771-EVB und das AP33772-EVB sind beide für Ladeanwendungen mit einem Gerät mit Typ-C-Anschluss und einem PD-Ladegerät oder Adapter mit Typ-C-Anschluss konzipiert. Das AP33771-EVB verwendet eine einfache Widerstandseinstellung für die USB-PD-Aushandlung, während der AP33772-EVB I²C verwendet.
Fazit
USB Typ-C ist auf dem Weg, der weltweite Standard für Datenverbindungen zwischen Geräten zu werden. Die USB-PD-3.x-Protokolle bieten die Möglichkeit, Anwendungen zu entwickeln, die mehr Strom, schnelleres Laden und bessere Datenübertragung für Geräte mit weltweit akzeptierten Steckern und Kabeln ermöglichen und damit gerätespezifische Ladegeräte überflüssig machen. Mit den Lösungen von Diodes Incorporated können USB PD 3.0 oder PD 3.1 problemlos in Geräte integriert werden, um die Leistung zu erhöhen und das Benutzererlebnis zu verbessern. (na)
