Gebruik een USB-C-laadcontroller om snel opladen te implementeren zonder firmware

De trend naar grotere beeldschermen, betere prestaties en een hogere gegevensdoorvoer in 5G-smartphones drijft de behoefte aan een grotere batterijcapaciteit met snellaadmogelijkheid op. De uitdaging voor ontwerpers bestaat erin verder te gaan dan conventionele oplaadmethoden die inefficiënties introduceren die kunnen leiden tot oververhitting bij de vermogensniveaus die vereist zijn om te voldoen aan de steeds veeleisender verwachtingen van de consument op het gebied van snel opladen.

De introductie van de programmeerbare stroomvoorziening (PPS) in USB Type-C® (USB-C) stroomlevering (PD) 3.0 helpt een effectieve oplossing te bieden, maar de vereiste firmware-ontwikkeling kan de levering van producten nog steeds vertragen.

Dit artikel beschrijft de problemen die gepaard gaan met het snelladen van 5G-telefoons en hoe USB-C PD 3.0 PPS ontwerpers kan helpen om efficiënt te voldoen aan de vereisten voor het steeds sneller opladen van grotere batterijen. Vervolgens wordt geïntroduceerd en getoond hoe ontwikkelaars een sterk geïntegreerde ON Semiconductor USB-C controller kunnen gebruiken die USB-C PD 3.0 PPS implementeert in een eindige toestandsmachine (FSM). Hierdoor hoeft er geen firmware te worden ontwikkeld, waardoor de implementatie van snelladen voor laders van de volgende generatie wordt versneld.

Krachtigere smartphones brengen nieuwe uitdagingen voor snellaadadadapters

5G-smartphones zullen volgens marktanalisten tegen 2023 goed zijn voor meer dan 50% van de totale smartphoneverkoop. Bij het gebruik van deze telefoons om te profiteren van 5G-diensten zullen gebruikers echter merken dat de bestaande basis van telefoonopladers en oplaadstations slecht zal zijn afgestemd op de snelle oplaadeisen van deze nieuwe generatie smartphones.

Zoals reeds te zien is in 5G-telefoons zoals de Samsung S20 Ultra 5G, bieden deze geavanceerde toestellen grotere beeldschermen, evenals een grotere verwerkingscapaciteit en een veel grotere gegevensdoorvoer dan beschikbaar was met telefoons van de vorige generatie. De beschikbare 5G-telefoons zijn nu al uitgerust met grotere batterijen, die passen bij hun grotere beeldschermen en het overeenkomstige hogere stroomverbruik. Zo heeft de Samsung S20 Ultra 5G een 6,9-inch display en een 5.000 milliampère-uur (mAh) batterij die 25% meer capaciteit heeft dan het vorige model.

De consument verwacht weliswaar een langere levensduur van de batterij met een grotere capaciteit, maar hij verwacht ook dat de oplaadtijd nog korter zal worden in plaats van 25% langer. Voor fabrikanten die willen voldoen aan de groeiende vraag naar oplaadstations in voertuigen, woningen en kantoren, wordt de noodzaak om de oplaadtijd voor accu's met een hogere capaciteit te verkorten een belangrijke uitdaging, gezien de beperkingen van de accu's zelf.

Fabrikanten van lithium-ion (Li-ion) accu's leggen strikte drempelwaarden op voor laadstroom en laadspanning. Een conventionele lithium-ion batterij van 1.000 mAh is gewoonlijk berekend op een oplaadsnelheid van 0,7 C, of 700 mA oplaadstroom. Toegepast op een volledig ontladen 5.000 mAh-batterij, zou een 0,7 C-laadsnelheid (of 3.500 mA laadstroom) ongeveer 45 minuten vergen om een 50% laadtoestand te bereiken.

Meer geavanceerde batterijceltechnologieën kunnen laadsnelheden van meer dan 1 C ondersteunen, maar zowel de lader als het geladen apparaat moeten geschikt zijn voor drastisch hogere vermogensniveaus. Een batterij van 5.000 mAh die bij een hogere snelheid van 1,5 C wordt opgeladen, zou bijvoorbeeld slechts ongeveer 22 minuten nodig hebben om van 0% tot 50% op te laden, maar de oplaadstroom van 7,5 ampère (A) zou de onderdelen kunnen belasten en een buitensporige thermische belasting kunnen veroorzaken, zelfs in zeer efficiënte oplaadsystemen. Met de brede aanvaarding van USB-C als de standaardinterface in de sector voor stroom en andere functies, zou een compatibele lader beperkt zijn in de maximale stroom die hij via een USB-C-kabel kan leveren. De maximale stroomsterkte bedraagt 5 A voor USB-C-kabels die een emarker-IC bevatten dat kabelinformatie verstrekt aan aangesloten apparaten. (Voor niet-markeringskabels bedraagt de maximale stroom 3 A).

Fabrikanten van mobiele toestellen kunnen deze beperking natuurlijk ondervangen door een laadpomp in te bouwen tussen de voedingsingang en het laadcircuit van de batterij. Om een 7,5 A laadsysteem te ondersteunen, bijvoorbeeld, zou de reisadapter 10 volts bij 4 A kunnen leveren, vertrouwend op een typische verdeel-door-twee laadpomp om 5 volts bij ongeveer 8 A aan het laadcircuit te leveren. Met deze aanpak kan een reisadapter de USB-C spanning (VBUS) verhogen en toch een USB-C-compatibel stroomniveau behouden.

Een groter laadvermogen vereist een efficiëntere controle

Ondersteuning voor VBUS-niveaus van meer dan 5 volt heeft het gebruik van deze hoogspannings-, laagstroomaanpak mogelijk gemaakt. De USB PD 2.0-specificatie definieert een reeks vaste stroomleveringsobjecten (PDO's) die combinaties van vaste spanningsniveaus (5, 9, 15 en 20 volt) en stromen (3 of 5 A) specificeren.

Hoewel vaste USB PD 2.0 PDO's een hoger laadvermogen mogelijk maken, kan het instellen van de laadspanning en laadstroom op vaste niveaus die te hoog of te laag zijn, resulteren in inefficiënt laden, onaanvaardbare thermische belasting en stress op componenten. In de praktijk werken oplaadcircuits optimaal wanneer hun ingangsspanning (geleverd door USB-C VBUS) iets hoger is dan hun uitgangsspanning (accuspanning). Omdat de batterijspanning tijdens normaal bedrijf voortdurend verandert, is het echter een uitdaging om dit punt van optimale oplaadefficiëntie te handhaven. Naarmate de batterij ontlaadt, zal het verschil tussen de batterijspanning en de USB-C laadspanning (VBUS) groter worden, waardoor de laadefficiëntie afneemt. Omgekeerd zal het laadcircuit, naarmate de batterij wordt opgeladen, de laadstroom moeten verminderen om de batterij te beschermen.

Zonder de mogelijkheid om het door de reisadapter geleverde oplaadniveau rechtstreeks te verlagen, zal de vermogensdissipatie toenemen, waardoor de efficiëntie afneemt en warmte wordt gegenereerd. Als gevolg daarvan verandert het optimale oplaadniveau voortdurend, vaak in stappen, zodat de oplaadspanning en de oplaadstroom in dezelfde mate moeten worden geregeld om een maximale efficiëntie te bereiken.

Hoe USB-C PD 3.0 PPS de efficiëntie verbetert

Ontworpen om de groeiende behoefte aan efficiënter opladen bij een hoger laadvermogen aan te pakken, maakt de USB-C PD 3.0 PPS mogelijkheid het apparaat dat wordt opgeladen (sink) om de lader (bron) te verzoeken om het laadvoltage en de laadstroom in mV en mA stappen te verhogen of te verlagen geadverteerd in vergrote PDO's. Met behulp van deze mogelijkheid kan een gootsteen zijn bronspanning en -stroom afstemmen om de oplaadefficiëntie te optimaliseren.

De invoering van PPS brengt een radicale verandering teweeg in de wijze waarop het heffingsproces functioneert. In het verleden werd het laadalgoritme zowel door de bronlader geregeld als uitgevoerd. Met PPS verschuift de controle over het laadalgoritme naar de sink, waarbij de bron het algoritme moet uitvoeren volgens de aanwijzingen van de sink.

Met PPS communiceert een smartphone of andere gootsteen met een oplaadbron om de stroomlevering te optimaliseren, waarbij een wederzijds aanvaardbaar PD-"contract" tot stand komt via een onderhandelingsprotocol waarbij een korte uitwisseling als volgt plaatsvindt:

1. De bron ontdekt of de aansluitkabel geschikt is voor 5 A
2. De bron maakt reclame voor zijn bronspannings- en stroomcapaciteiten, beschreven in niet minder dan zeven PDO's
3. De sink verzoekt om een van de geadverteerde PDO's
4. De bron aanvaardt de gevraagde PDO
5. De bron levert stroom op de overeengekomen spannings- en stroomniveaus

Geavanceerde mobiele toestellen zoals de eerder genoemde 5G-telefoon van Samsung maken gebruik van deze mogelijkheid om snel op te laden met compatibele laders. Fabrikanten die reisadapters voor snelladen ontwerpen en laadstations in andere producten inbouwen, moeten voor de uitvoering van dit soort oplaadprotocollen meestal besturingsfirmware ontwikkelen die het protocol kan uitvoeren en de bijbehorende voedingsapparaten kan bedienen. Voor een gevestigde standaard als USB-C PD PPS biedt een FSM-oplossing echter een effectief alternatief, omdat er geen firmware hoeft te worden ontwikkeld die de levering van het eindproduct kan vertragen. Met behulp van een FSM-implementatie van USB-C PD 3.0, inclusief PPS, versnelt de FUSB3307 adaptieve bronlaadcontroller van ON Semiconductor de ontwikkeling van laders die kunnen voldoen aan de snellaadeisen van de volgende generatie smartphones en andere mobiele apparaten met accu's met hoge capaciteit.

Geïntegreerde controller voor USB-C PD 3.0-conforme snelladers

ON Semiconductor's FUSB3307 is een geïntegreerde voedingsbroncontroller die de implementatie van USB-C PD 3.0 PPS mogelijk maakt zonder de noodzaak van een externe processor. Samen met kabeldetectie, loadgate-driver, meervoudige beveiligingsfuncties, en constante voltage (CV) en constante stroomregeling (CC), integreert het apparaat de volledige PD 3.0 Device Policy Manager, Policy Engine, Protocol, en PHY-lagen in hardware.

Ontworpen om zowel AC/DC- als DC/DC-laders te ondersteunen, kan de FUSB3307 een volledige set reacties geven passend bij een PD-stroombron. Als gevolg hiervan kunnen ontwerpers een USB-C PD 3.0 compatibele voedingsbron implementeren met de FUSB3307 en relatief weinig extra apparaten en componenten.

Bij aansluiting op een sink detecteert de FUSB3307 automatisch de mogelijkheden van het sink-apparaat en de aansluitkabel en maakt hij melding van zijn mogelijkheden in overeenstemming met de USB-C-specificaties. Als de sink reageert met de selectie van een ondersteunde PDO, zal de FUSB3307 VBUS inschakelen en de stroomcircuits aansturen om te verzekeren dat de gevraagde laadspanning en stroomniveaus aan de sink worden geleverd.

Omdat de FUSB3307 een volledige set regelfuncties integreert, blijven de fundamentele werkingsprincipes conceptueel gelijk voor zowel AC/DC- als DC/DC-laderontwerp. In antwoord op commando's van de sink gebruikt de FUSB3307 in de bron zijn CATH-outputpen om een feedbackstuursignaal naar de eindtrap van de bron te sturen. Tijdens het laden controleert de FUSB3307 het laadvoltage gebruikend zijn VFB speld en het laden stroom die over een het ontdekken weerstand wordt ontdekt gebruikend zijn IS+/IS- pennen. Deze bewaakte niveaus voeden op hun beurt de interne foutcircuits van de spannings- en stroomlus die aan de spannings- (VFB) en stroompennen (IFB) zijn gekoppeld. Deze signalen werken op hun beurt om de CATH pen aan te sturen voor CV en CC controle. Andere pennen in het 14-pins SOIC-pakket (Small Outline Integrated Circuit) van de FUSB3307 ondersteunen de loadgate-driver, USB-C-connectorinterface en beschermingsfuncties.

FUSB3307-broncontroller vereenvoudigt laderontwerp

Ontwerpen voor elk type lader zal natuurlijk gebruik maken van verschillende configuraties voor de primaire CATH-uitgang, VFB-ingang, en andere pennen. In een AC/DC-wandlader of AC/DC-adapter zou de FUSB3307 de spanning en stroom aan de secundaire zijde bewaken en besturingsfeedback naar de primaire zijde sturen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: In een AC/DC-ontwerp voor een wandlader of adapter reageert de FUSB3307 op commando's van een sink-apparaat voor verschillende laadspanningen door de PWM-controller aan te sturen via een isolerende optocoupler. (Afbeelding: ON Semiconductor)

In dit laadontwerp zou de FUSB3307 CATH output pin typisch worden verbonden met een optocoupler kathode aan de secundaire zijde om een feedback stuursignaal te leveren aan een primaire pulsbreedtemodulatie (PWM) regelaar, zoals de ON Semiconductor NCP1568. Aan secundaire zijde bewaken de FUSB3307 spanning- en stroomdetectie-ingangen de uitgang van een synchrone gelijkrichterregelaar, zoals de ON Semiconductor NCP4308.

In een DC/DC-laderontwerp gebruikt in een automotive toepassing, stuurt de FUSB3307 direct de DC/DC-regelaar aan. Hier wordt het CATH-feedbacksignaal van de FUSB3307 verbonden met de compensatiepen (COMP) van een DC/DC-regelaar, zoals de ON Semiconductor NCV81599 (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: In een DC/DC-laderontwerp voor een autolader, regelt de FUSB3307 rechtstreeks de uitgangsspanning van een DC/DC-controller, waarbij de uitgang wordt verhoogd of verlaagd zoals wordt aangestuurd door een sink, zoals een 5G-telefoon of andere mobiele apparaten. (Afbeelding: ON Semiconductor)

ON Semiconductor implementeert dit specifieke DC/DC-laderontwerp in zijn FUSB3307MX-PPS-GEVB-evaluatiebord voor de FUSB3307. Het bord is ontworpen om te werken met een enkele gelijkstroomvoeding en biedt een complete oplaadbron die voldoet aan USB PD 3.0 met PPS, waarbij 5 A stroom (max) wordt geleverd op VBUS-niveaus van minimaal 3,3 volt tot maximaal 21 volt van de standaard.

Het evaluatiebord stelt ontwikkelaars in staat om de interactie tussen de FUSB3307 en USB PD 3.0-compatibele apparaten te onderzoeken, evenals oudere USB PD 2.0-apparaten. Ontwikkelaars kunnen onmiddellijk beginnen met het verkennen van het snellaadproces door het monitoren van de VBUS-spanning en -stroom die door het bord worden geleverd aan een USB-C PD geschikt apparaat, zoals een laptop of smartphone.

Deze aanpak biedt met name inzicht in het vermogen van de FUSB3307 om te communiceren met een kant-en-klare USB PD 3.0 5G-telefoon, evenals het gebruik van de telefoon van het USB PD 3.0 PPS-protocol om de laadspanning en -stroom te optimaliseren. In een demonstratie van deze mogelijkheid ^[1], blijkt een kant-en-klare Samsung S20 Ultra 5G een reeks opdrachten te geven aan het FUSB3307MX-PPS-GEVB-evaluatiebord om de laadspanning te wijzigen en stroom in zowel grote als kleine stappen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Het ON Semiconductor FUSB3307MX-PPS-GEVB-evaluatiebord demonstreert het vermogen van de FUSB3307 om te reageren op de commando's van een kant-en-klare 5G-telefoon om de laadspanning en -stroom nauwkeurig af te stellen. (Afbeelding: ON Semiconductor)

Nadat het bord en de telefoon in deze demonstratie zijn aangesloten, selecteert de 5G-telefoon de baseline PDO (5,00 volt en max 5,00 A), zoals te zien is in de eerste 10 seconden van de afbeelding. In deze fase bedraagt de laadspanning (VBUS) 5 volt en zakt de 5G-telefoon ongeveer 2 A laadstroom (IBUS). De 5G-telefoon vraagt vervolgens een verbeterde PDO aan die verklaart dat de bron in staat is 8 volt bij 4 A te leveren. De FUSB3307 voldoet aan het verzoek en de verandering is onmiddellijk: VBUS springt naar 8 volt zoals gevraagd en IBUS toont een geleidelijke toename als de 5G-telefoon de verhoogde IBUS-stroom rampt.

Na deze scherpe sprong in VBUS, worden de incrementele verhogingen van het laadvermogen die mogelijk zijn met PPS duidelijk. De 5G-telefoon vraagt ongeveer elke 210 milliseconden (ms) om een verhoging van 40 millivolt (mV) in VBUS, waarbij VBUS geleidelijk naar nog hogere niveaus wordt opgevoerd. Wanneer IBUS 4 A bereikt (groene stippellijn in de figuur), gebruikt de FUSB3307 het standaard PPS-protocol om een waarschuwingsbericht uit te zenden om de 5G-telefoon te melden dat de gevraagde stroomlimiet is bereikt. De 5G-telefoon blijft verzoeken doen om VBUS verder te verhogen in stappen van 40 mV, tot uiteindelijk 9,8 volt wordt bereikt. In het dagelijks gebruik kan dit soort adaptief bronlaadvermogen de maximale laadefficiëntie bereiken die vereist is voor snelladen, zonder het sinkapparaat te oververhitten of anderszins in gevaar te brengen.

Met behulp van het ON Semiconductor FUSB3307MX-PPS-GEVB evaluatiebord kunnen ontwikkelaars onmiddellijk het gebruik van USB-C PD in bestaande apparaten verkennen en het bijbehorende referentieontwerp van het bord uitbreiden om snelladen op maat te implementeren in apparaten die compatibel zijn met USB PD 3.0. Het beste van alles is dat voor de implementatie geen firmwareontwikkeling nodig is. Met de FUSB3307 gebruiken ontwikkelaars vertrouwde voedingstechnieken om adapters te bouwen die volledig kunnen profiteren van de snelle oplaadmogelijkheden van volgende-generatie 5G-telefoons en andere compatibele apparaten.

Conclusie

Hoewel 5G-telefoons een schat aan nieuwe functies en mogelijkheden voor gebruikers met zich meebrengen, vormen de batterijen met een grotere capaciteit die nodig zijn om deze toestellen te ondersteunen ook een uitdaging voor ontwerpers. Zij moeten er met name voor zorgen dat reisadapters en oplaadstations snel kunnen worden opgeladen zonder dat de telefoon oververhit raakt.

Met zijn volledig compatibele USB PD 3.0 PPS-mogelijkheden en zonder dat firmware hoeft te worden ontwikkeld, biedt de FUSB3307 adaptieve laadcontroller van ON Semiconductor een directe ontwerpoplossing. Door deze controller te gebruiken in combinatie met vertrouwde voedingsapparaten en componenten, kunnen ontwikkelaars snel adapters implementeren die een snel groeiende basis van USB PD 3.0 geschikte 5G-telefoons en andere mobiele apparaten kunnen ondersteunen.

Referentie

1. Convergentie van 5G, snel opladen en programmeerbare USB-C-voedingen