Opladen van USB Type-C-toepassingen met USB PD 3-sinkcontrollers

Nu regionale regelgevende instanties een gemeenschappelijke oplaadoplossing op basis van een standaard USB Type-C®-kabel en connector verplicht gaan stellen, worden de mogelijkheden voor bedrijfseigen opladers voor apparaten snel minder. Productontwerpers die de regionale vereisten voor willen zijn om aan deze norm te voldoen, kunnen hun toepassingen optimaliseren door USB Power Delivery (PD) sinkcontrollers te gebruiken voor stroomlevering tussen apparaten en opladers.

Na december 2024 moet in de Europese Unie elk bekabeld oplaadbaar apparaat tot 100 W (laptops zijn tijdelijk vrijgesteld van het mandaat tot 2026) een oplaadbare USB Type-C-poort gebruiken die voldoet aan de USB PD-specificaties. Andere mandaten om die norm in te voeren worden in 2025 van kracht in India en Saoedi-Arabië, gevolgd door Californië in 2026.

Alleen USB Type-C kan slechts 5 V leveren bij 3 A, wat gelijk is aan een vermogen van 15 W. Om 100 W te bereiken heb je specificaties USB PD 3.0 of USB PD 3.1 nodig, die ervoor zorgen dat Type-C-connectoren een hogere spanning kunnen verwerken terwijl ze tevens high-speed gegevens overdragen.

USB PD 3.0 ondersteunt een vermogen tot 100 W en een vaste spanning van 5 V, 9 V, 15 V en 20 V, met een maximale stroom van 5 A. De nieuwe USB PD 3.1-specificatie heeft een Extended Power Range (EPR) en Advanced Voltage Supply (AVS), waardoor het uitgangsvermogen wordt verhoogd tot maar liefst 240 W met drie nieuwe vaste spanningswaarden van 28 V, 36 V en 48 V.

De USB PD 3.x-specificaties verbeteren eerdere PD 2.0-versies met een toename in de hoeveelheid informatie die wordt uitgewisseld tussen een sink (het apparaat dat stroom ontvangt) en een source (het apparaat dat stroom levert) om factoren op te nemen die de toepassing kunnen beïnvloeden, zoals de oplaadstatus van de batterij, batterijtemperatuur, storingen en overspanning.

De 100 W die wordt geleverd via USB PD 3.0 is voldoende om sommige laptops, beeldschermen en zelfs bepaalde tv's op te laden. USB PD ondersteunt ook video- en audio-uitgang, waaronder DisplayPort en HDMI, en protocollen voor gegevensoverdracht zoals Thunderbolt 3.

Verbeterde toepassingen

Productontwerpers kunnen met USB PD 3.x gebruikers een betere ervaring te bieden door middel van sneller opladen, snellere gegevensoverdracht en een apparaatcompatibiliteit met één enkele kabel en connector. Dit vermindert de e-waste die ontstaat als gebruikers en bedrijven verschillende kabels en opladers moeten gebruiken om meerdere apparaten op te laden.

De technologie stelt ontwerpers in staat om ontwerpen te vereenvoudigen met minder poorten en componenten. Daarnaast kunnen ze mogelijk de productie- en verzendkosten verlagen door het gewicht en de extra verpakking van opladers te elimineren, evenals de tijd en moeite die nodig zijn om nieuwe apparaatspecifieke opladers te updaten.

Door een enkele kabel en connector te gebruiken voor meerdere functies, kunnen ontwerpers zich richten op het maken van nieuwe en verbeterde toepassingen die gebruikmaken van de hoge vermogens en gegevenssnelheden van USB Type-C PD. Ze kunnen ook de gebruikerservaring en functionaliteit van hun producten verbeteren met extra functies zoals dockingstations, hubs en converters die de connectiviteit en compatibiliteit van apparaten uitbreiden.

Bij het ontwikkelen van nieuwe toepassingen met USB PD 3.0 worden productontwerpers geconfronteerd met een aantal uitdagingen, zoals naleving van de USB PD-specificatie en interoperabiliteit met andere apparaten en opladers.

Het voorkomen van schade of letsel door overspanning, overstroom of omgekeerde polariteit is een ander belangrijk punt, vooral omdat oplossingen met deze technologie complexere circuits en firmware gebruiken dan eerdere generaties. Om dergelijke uitdagingen aan te pakken, zijn er voedingscontrollers die meerdere protocollen en configuraties ondersteunen en evaluatiekaarten die snelle prototyping en verificatie mogelijk maken.

Aan het werk met USB Type-C PD

Een belangrijk voordeel van USB PD 3.0 is het onderhandelen en beheer van de stroomlevering tussen een sink en een source met behulp van een gestandaardiseerd protocol. USB PD-sinkcontrollers onderhandelen met een USB PD-source, bijvoorbeeld een oplader, om het stroomprofiel van een apparaat te verkrijgen. Apparaten die aan de eisen voldoen, kunnen verschillende spanningen en stromen aanvragen en leveren, afhankelijk van hun behoeften en mogelijkheden. Ook kunnen zij de vermogensniveaus dynamisch aanpassen tijdens het gebruik.

Het onderhandelings- en beheerproces voor stroomlevering bestaat uit vier fasen:

• Ontdekking: dit vindt plaats wanneer de sink en de source elkaar identificeren als USB PD-compatibele apparaten en een datacommunicatiekanaal tot stand brengen via de configuratiekanaalpinnen (CC) op de USB Type-C-connector.
• Uitwisselen van capaciteiten: hierbij identificeert de bron de ondersteunde energieprofielen (spannings- en stroomniveaus) naar de sink, die vervolgens een profiel aanvraagt dat voldoet aan zijn vereisten.
• Stroomcontract: dit is een proces voor de source om het verzoek van de sink te accepteren of af te wijzen. Als dit wordt geaccepteerd, begint de source het gevraagde vermogen aan de sink te leveren met behulp van de overeengekomen vermogensparameters.
• Update van de stroomregel: hiermee kan de sink of de source een nieuwe stroomonderhandeling starten om wijzigingen in batterijniveaus of belasting van de sink of wijzigingen in het ingangsvermogen van de source aan te passen.

USB PD 3.0 maakt gebruik van ‘extended messages’ voor de uitwisseling van informatie tussen een sink en een source, zoals batterijstatus, temperatuur of fabrikantspecifieke gegevens. Het ondersteunt ook de programmeerbare voedingsmodus (programmable power supply of PPS), wat een fijnmazigere regeling van de uitgangsspanning en -stroom van de source mogelijk maakt, evenals naadloos schakelen van de voedingsrollen tussen de sink en de source zonder de datacommunicatie te verstoren.

Een andere belangrijke functie van USB PD 3.0 is omgekeerd opladen, waarbij een apparaat met een hogere batterijcapaciteit een apparaat met een lagere batterijcapaciteit kan opladen, ongeacht hun voedingsrollen. Zo kan een laptop bijvoorbeeld een smartphone opladen en diezelfde smartphone kan met dezelfde USB Type-C-kabel een headset opladen. Dit is een duidelijk voordeel voor gebruikers omdat ze met één kabel meerdere apparaten kunnen opladen.

Omgekeerd opladen is echter niet altijd compatibel met alle apparaten of opladers. Bovendien kan dit leiden tot een kortere levensduur van de batterij van het apparaat dat als source fungeert. Ook kan het de complexiteit en kosten van het circuitontwerp verhogen. Dus, net zoals bij andere elektronische toepassingen, moeten productontwerpers de afweging maken om omgekeerd opladen te implementeren, om er zeker van te zijn dat ze voldoen aan de USB PD 3.x-specificaties. Daarnaast moeten ze de interoperabiliteit testen met een reeks apparaten en opladers.

USB 3-sinkcontrollers

Om USB PD 3.x-functionaliteit in hun apparaten toe te passen, kunnen productontwerpers speciale sinkcontrollers gebruiken die het protocol ondersteunen en de communicatie met het source-apparaat afhandelen.

Diodes Incorporated biedt sterk geïntegreerde en kosteneffectieve oplossingen voor snelladen, omgekeerd laden, PPS-modus en andere USB PD 3.x-functies. Ze ondersteunen ook oude protocollen zoals Qualcomm Quick Charge 4+ en Huawei FCP/SCP en zijn daardoor compatibel met een groot aantal opladers en adapters.

De AP33771 (afbeelding 1) is een USB PD 3.0-controller met USB PD 3.0-conforme firmware en een interface met een vooraf geladen stroommenu, waardoor deze eenvoudiger te gebruiken is. De controller biedt één uitgangskanaal dat een vermogen van maximaal 27 W kan leveren.

Afbeelding 1: De pintoewijzingen van de AP33771-sinkcontroller. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

De AP33772 (afbeelding 2) is een USB PD 3.0-controller die gebruikmaakt van een I²C-interface en ingebouwde firmware om over stroom en spanning te onderhandelen. Dit biedt ontwerpers meer flexibiliteit om alle PD-sinkfuncties te implementeren. De controller biedt ook twee uitgangskanalen die tot 45 W vermogen kunnen leveren en heeft een ingebouwd overspanningsbeveiligingscircuit (OVP) voor elk kanaal dat schade aan het apparaat kan voorkomen in geval van een defecte oplader of kabel.

Afbeelding 2: De AP33772-sinkcontroller van Diodes wordt geleverd in eenzelfde pakket als de AP33771, maar met andere pintoewijzingen. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

Diodes biedt ook een USB PD 3.1-sinkcontroller, de AP33771C, die EPR/AVS tot 28 V en Standard Power Range (SPR)/PPS tot 21 V ondersteunt.

Elk van deze controllers heeft een laag stand-by stroomverbruik, een hoge efficiëntie en thermische beveiligingsfuncties. Ze zijn verkrijgbaar als W-QFN4040-24-pakket (4 mm x 4 mm) met een kleine footprint, waardoor ze geschikt zijn voor compacte en draagbare apparaten.

Daarnaast biedt Diodes twee evaluatieborden voor de USB PD 3.0-controllers. De AP33771-EVB en de AP33772-EVB zijn beide ontworpen voor oplaadtoepassingen met een apparaat met Type-C-connector en een PD-oplader of PD-adapter met Type-C-connector. De AP33771-EVB-kaart gebruikt een eenvoudige weerstandsinstelling voor USB-PD onderhandeling, terwijl de AP33772-EVB I²C gebruikt.

Conclusie

USB Type-C is snel op weg om de wereldwijde standaard te worden voor dataconnectiviteit van apparaten. De USB PD 3.x-protocollen bieden productontwerpers de mogelijkheid om toepassingen te creëren die meer stroom leveren en sneller opladen, met een betere gegevensoverdracht dankzij wereldwijd geaccepteerde connectoren en kabels, zodat er geen apparaatspecifieke opladers meer nodig zijn. Met de oplossingen van Diodes Incorporated kunnen productontwerpers eenvoudig USB PD 3.0 of PD 3.1 in hun apparaten integreren voor verbeterde prestaties en een betere gebruikerservaring.