USB-PD-Herausforderungen meistern

Anspruchsvoller als alle bisherigen Standards ist die USB-3.x-Spezifikation, allerdings gehen diese erhöhten Anforderungen einher mit gewissen Herausforderungen. In diesem Fall muss der Stecker einerseits die Signalintegrität bei sehr hohen Datenübertragungsraten (bis zu 40 GBit/s) aufrechterhalten und andererseits mehr Leistung zur Verfügung stellen (bis zu 100 W), während er zudem zwei verbundenen Geräten das Aushandeln der Sink-/Sourcekonfiguration ermöglicht. Hinzu kommt, dass der USB-C-Stecker universell steckbar und somit unabhängig von der Steckrichtung funktionsfähig ist.

Das führt dazu, dass sich in Zukunft die Nachfrage nach Lösungen erhöhen wird, die eine anpassbare Energieversorgung, hohe Datenübertragungsraten und ESD-Schutz bieten. Zudem sollen sie Highspeed-Redriver- und Controllerlösungen bereitstellen sowie Übertragungsgeschwindigkeiten analog zu USB 3.1 (Gen 1/2) und das PD-Protokoll (Power Delivery) unterstützen.

Viele dieser Bauteile lassen sich in das Kabel selbst integrieren, um so aktive Kabel zu erhalten. Hersteller benötigen daher fertige Lösungen in Sub-Millimeter-Gehäusen mit Kapazitäten kleiner als 1 pF, wie sie nun ON Semiconductor anbietet.

Bild 1: Herkömmlicher Sperrwandler mit fester Ausgangsspannung und Diodengleichrichtung On Semiconductor

Neben der Datenübertragung ist die Energieversorgung ein wesentlicher Aspekt von USB-C, da zwei verbundene Geräte entscheiden können, welches dem anderen welche Leistung zur Verfügung stellt. Ein gängiges Szenario ist hierbei ein vollständig geladenes Mobiltelefon, welches einem Laptop mit entladenem Akku Energie zuführt und gleichzeitig dem Laptop ermöglicht, das Mobiltelefon als Massenspeicher zu nutzen. In naher Zukunft sollen die Netzteile hochwertiger Laptops in der Lage sein, ihre Leistung mithilfe der USB-3.1-PD-Funktion den Anforderungen des angeschlossenen Geräts anzupassen.

Wirkungsgrad erhöhen

Ein wesentliches Leistungsmerkmal eines PD-kompatiblen Netzteils ist die Fähigkeit die Ausgangsleistung zu variieren, da die Spezifikation eine Leistungsübertragung bis zu 100 W (5 V bei 20 A) über das Kabel erlaubt. Da es sich jedoch nicht um eine feste Ausgangsleistung handelt, muss das Netzteil eine neue Art der Energieumwandlung und -regelung mit hohem Wirkungsgrad im primär- und sekundärseitigen Regelkreis bieten.

Um den Wirkungsgrad von Leistungswandlern zu verbessern, hat die Branche eine Synchrongleichrichter-Topologie für die sekundärseitige Regelung adaptiert. Dafür ersetzten die Hersteller die Diode (Bild 1) durch einen wesentlich effizienteren FET (Bild 2), um die sekundärseitige AC-Spannung des Flyback-Transformators auf eine stabile Gleichspannung am Spannungsausgang gleichzurichten.

Bild 2: USB-PD-Netzteil mit Synchrongleichrichtung und FET als Ausgangsschalter On Semiconductor

Bei niedrigen Ausgangsspannungen hat der Spannungsabfall über der Diode hohen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad, wobei der Einsatz einer Schottky-Diode diesen von etwa 0,7 auf 0,3 V reduziert. Wird die Diode jedoch durch einen FET mit niedrigem Einschaltwiderstand ersetzt, lässt sich die Effizienz weiter verbessern, allerdings erhöht sich dadurch die Komplexität des Schaltkreises. Um dem entgegenzuwirken, bieten Hersteller von Leistungshalbleitern nun Synchrongleichrichter-Controller an, welche den FET direkt ansteuern, um ihn zur richtigen Zeit ein- und auszuschalten. Der Controller führt dabei eine gewisse Verzögerung ein, welche idealerweise gegen null geht. Obwohl dies physikalisch nicht möglich ist, sind Hersteller dennoch bestrebt, möglichst kurze Ein- und Ausschaltverzögerungen zu erzielen. Gerade bei Flyback-Topologien im CCM-Betrieb (Continuous Conduction Mode) ist die Abschaltverzögerung besonders kritisch, wie es auch bei USB-PD-Netzteilen der Fall ist. Begründet liegt dies darin, dass im CCM der Strom, der durch die Sekundärseite des Transformators fließt, nie null erreicht, bevor der FET auf der Primärseite einschaltet. Eine Verzögerung beim Ausschalten des sekundärseitigen FET könnte zu einem überhöhten Strom (Shoot-Through) führen, also einem Kurzschluss zwischen Primär- und Sekundärseite, wodurch die Leistungselektronikbauteile einem möglicherweise schädlich hohen Strom ausgesetzt wären.

Um die Effizienz weiter zu verbessern, kommen Galliumnitrid-Transistoren (GaN) mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs, High Electron Mobility Transistors) zum Einsatz, die sogar noch schneller schalten können als MOSFETs. Die Treiberanforderungen für GaN-HEMTs unterscheiden sich jedoch grundlegend von denen für MOSFETs, weshalb die Synchrongleichrichter-Controller hierfür speziell ausgelegt sein müssen.

Integrierte Lösungen

Neben einem schnell schaltenden Controllerdesign lassen sich Schaltverzögerungen auch minimieren, indem die Messung des Spannungsabfalls über dem Transistor erfolgt. Diese erfolgt über zusätzliche externe Bauelemente, die ihrerseits Verzögerungen aufgrund des Eigenwiderstands sowie ihrer Kapazitäten verursachen können. Auch eine direkte Messung (DS, Direct Sensing) ist möglich, wobei der Controller den Laststrom als eine Funktion des Spannungsabfalls über dem Transistor direkt überwachen kann. Für die direkte Messung muss der Controller jedoch so ausgelegt sein, dass er den hohen Spannungen standhält, die am Transistor auftreten können.

Bild 3: Eine gängige Anwendung für den NCP4306 – ein hochintegrierter Synchrongleichrichter-Controller sorgt für maximalen Wirkungsgrad bei der Leistungswandlung. On Semiconductor

Eine dritte Herausforderung bei der Auswahl eines Synchrongleichrichter-Controllers ist die Einschaltverzögerung. Benötigt die Last mehr Leistung, wird der primärseitige Controller diese bereitstellen. Jedoch muss die Sekundärseite hierbei auf diese Anforderung reagieren, indem der Transistor so schnell wie möglich eingeschaltet wird. So lässt sich vermeiden, dass der Laststrom durch die Bodydiode des Transistors statt durch seinen Kanal fließt.

Diese Anforderungen mit einem einzigen IC zu erfüllen ist notwendig, wenn Hersteller Netzteile bereitstellen wollen, die den USB-3.x-/C-PD-Spezifikationen entsprechen sollen. Ein Beispiel hierfür ist der NCP4306 von ON Semiconductor. Dieser Synchrongleichrichter-Controller für Schaltnetzteile bietet eine Abschaltverzögerung von 13 ns und eine Einschaltverzögerung von 30 ns.

Die Serie umfasst Varianten, die MOSFETs oder GaN-HEMTs direkt ansteuern und es Entwicklern ermöglichen, mit GaN-Transistoren (Anreicherungstyp) hochleistungsfähige USB-PD-Netzteile auf Basis einer HF-Quasi-Resonanten-Sperrwandler- oder der fortschrittlicheren Active-Clamp-Sperrwandler-Topologie zu entwickeln, die mit Frequenzen von bis zu 1 MHz arbeitet. Die Serie NCP4306 unterstützt diese Schaltungsarten dank ihrer Fähigkeit GaN-Transistoren anzusteuern, schnellster Einschaltzeiten sowie der Eigenschaft, Direct-Sensing-Spannungen bis zu 200 V widerstehen zu können. Bild 3 zeigt den NCP4306 in einer typischen Anwendung. Der Baustein bietet einen Treiberstrom von 2 A und einen Senkenstrom von 7 A.

(prm)