Geïntegreerde buck-boostladers voor sneller opladen van USB & kleinere universele oplaadoplossingen

Het gebruik van universele batterijladers voor lithium-ion (Li-ion) en lithium-polymeer (Li-poly) batterijen met USB 3.0 power delivery (PD) voor het onderweg opladen (OTG) neemt toe in een breed scala van toepassingen, waaronder drones, smartphones, tabletcomputers, snoerloze stofzuigers, draagbare medische apparatuur, draadloze luidsprekers en elektronische verkooppuntapparatuur. Bij al deze toepassingen worden ontwerpers voortdurend gedwongen de oplaadtijd en vormfactor te verkorten, de vermogensdichtheid te verhogen en de kosten te verlagen.

Buck-boost batterijladers gecombineerd met USB PD kunnen de ontwikkeling mogelijk maken van snelle, efficiënte, universele ingangslaadoplossingen. Maar dit zijn geen eenvoudige apparaten en het ontwerpen ervan om de USB OTG-specificatie te ondersteunen kan heel wat tijd in beslag nemen. Dit verhoogt de kosten en kan van invloed zijn op de ontwerpschema's. Het ontwerpproces kan verder worden bemoeilijkt door de noodzaak zich te houden aan de timing- en controlecriteria voor USB fast role swap (FRS), om ervoor te zorgen dat een apparaat dat stroom levert, snel een stroomverbruiker kan worden om een ononderbroken gegevensverbinding te garanderen.

Voor USB PD universele laadtoepassingen kunnen ontwerpers veel van deze problemen aanpakken door zich te wenden tot geïntegreerde laders die het ontwerpproces stroomlijnen en de implementatie ondersteunen van volledig uitgeruste en compacte buck-boost laadoplossingen die een hoog vermogen en snel laden leveren met een laag aantal onderdelen en een hoge vermogensdichtheid.

Dit artikel gaat kort in op de behoefte aan universeel opladen op basis van USB 3.0 en USB Type-C®, en op de complexiteit van het implementeren van buck-boost universele input USB OTG- en FRS-oplossingen. Vervolgens worden de voordelen van het gebruik van een geïntegreerd apparaat besproken, waarna een geïntegreerde buck-boostlaadoplossing van Texas Instruments met dubbele ingangsselector en USB PD 3.0 OTG- en FRS-ondersteuning wordt geïntroduceerd. Een ondersteunende evaluatiemodule om ontwerpers op weg te helpen met hun volgende universele input USB PD lader met OTG- en FRS-mogelijkheden zal ook worden beschreven.

Complexiteit van universeel en OTG opladen en FRS

Door de invoering van een gestandaardiseerde connector heeft USB Type-C bijgedragen tot de ontwikkeling van universele netstroomadapters en een vermindering van e-afval. Maar gestandaardiseerde connectors zijn slechts één factor. Draagbare toestellen hebben verschillende aantallen cellen in hun batterijen, en er is een grote variatie in adaptervermogens en voltages van 5 tot 20 volt. De combinatie van verschillende nominale adapters en variërende batterijspanningen betekent dat de architectuur van een USB PD-laadoplossing complex en uitdagend is (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Het interne ontwerp van een USB PD-laadoplossing kan complex zijn omdat het rekening moet houden met sterk uiteenlopende batterijcelconfiguraties en adapterspanningen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Eerst moet de USB PD-controller (U4) de adapter identificeren, waaronder; USB batterij oplaadspecificatie revisie 1.2 (USB BC1.2), standaard downstream-poort (SDP), opladen downstream-poort (CDP), speciale oplaadpoort (DCP), speciale oplaadpoort voor hoge spanning (HVDCP), en zelfs niet-standaard adapters. Na de communicatie tussen de USB PD-controller en de adapter schakelt de unit voor het beheer van het ingangsstroompad en de stroomdetectie (U1) back-to-back power MOSFET's in om de ingangsspanning van VBUS te verbinden met de ingang van de buck-boostlader (U2). De eenheid voor het beheer van het ingangsvermogenspad registreert ook de ingangsspanning en -stroom via de detectieweerstand ter ondersteuning van de overspannings- en overstroombeveiliging.

Vier extra MOSFET's bevinden zich in de buck-boost lader (U2) om de ingangsspanning te verhogen of te verlagen afhankelijk van de accuspanning. Een andere vermogens-MOSFET en een stroomgevoelige weerstand op de uitgang van de buck-boost-oplader zijn nodig om de NVDC-stroompadbeheer en laadstroomdetectie van de USB PD-lader te ondersteunen.

NVDC-voedingstrajectbeheer is een specifiek besturingsprotocol dat het systeem regelt op een spanning die iets hoger is dan de accuspanning, en niet toestaat dat de spanning onder de minimale systeemspanning daalt. De minimale systeemspanning is het spanningsniveau dat het systeem in staat stelt te werken, zelfs wanneer de batterij verwijderd of volledig ontladen is. Als de stroombehoefte van het systeem groter is dan die van de ingangsadapter, ondersteunt een extra batterijmodus de extra stroombehoefte van het systeem en voorkomt overbelasting van de adapter.

OTG-stroom en FRS

Om OTG-voeding te ondersteunen, wordt de DC-DC-convertor (U3) in Afbeelding 1 gebruikt om de batterij te ontladen om een gereguleerde spanning op VBUS te leveren om externe apparaten te voeden wanneer de adapter is verwijderd, zoals vereist door de USB OTG-specificatie. Als FRS ook vereist is, moet de DC-DC-convertor worden ingeschakeld en continu in stand-by worden gehouden, zelfs als er een adapter via de USB Type-C-poort op de VBUS is aangesloten. Als de adapter wordt losgekoppeld, gaan de back-to-back power MOSFET's die met de DC-DC converter zijn verbonden, aan en verbinden de uitgang van de convertor om VBUS op te houden en FRS in te schakelen. Een nadeel van deze aanpak is dat het in stand-by houden van de DC-DC-convertor de verliezen door ruststroom voor het systeem doet toenemen.

Geïntegreerde buck-boostlader voor 1 tot 4 cellen met USB OTG en FRS

Zoals blijkt, kan het ontwerpen van een universele USB PD-laadoplossing om OTG en FRS te ondersteunen een complexe taak zijn. Voor toepassingen die gebruik maken van één tot vier Li-ion of Li-poly cellen, biedt Texas Instruments ontwerpers de BQ25792RQMR volledig geïntegreerde buck-boostlader die de volledige ingangs- en uitgangs OTG-spanningsbereiken voor USB Type-C en USB PD ondersteunt, waardoor het ontwerp van een complete USB PD-laadoplossing, inclusief ondersteuning voor FRS, aanzienlijk wordt vereenvoudigd (Afbeelding 2). Een optionele dual input power mux controller kan ondersteuning bieden voor twee verschillende ingangsvoedingsbronnen; een USB Type-C connector op VIN1 en een hulpvoedingsbron op VIN2.

Afbeelding 2: De BQ25792 volledig geïntegreerde buck-boostlader vereenvoudigt het ontwerp van een complete USB PD-laadoplossing. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De BQ25792 ondersteunt een breed scala aan ingangen, waaronder:

• Een ingangsspanningsbereik van 3,6 tot 24 volt.
• Detecteert USB BC1.2, SDP, CDP, DCP, HVDCP, en niet-standaard adapters.
• Detectie van het maximale vermogenspunt van onbekende ingangsbronnen.

De BQ25792 bevat een geïntegreerde ingangsstroomdetectie die de lader in staat stelt de ingangsstroom te regelen en een ingangsoverstroombeveiliging te bieden om overbelasting van de adapter te voorkomen. Bovendien is het besturings- en drivercircuit voor de externe back-to-back power MOSFET's geïntegreerd als onderdeel van het ingangsbeveiligingscircuit tegen overspanning en overstroom, waardoor de functies van het ingangsbeheer van het stroompad en de stroomdetectie-eenheid (U1) in Afbeelding 1 worden vervangen.

Integratie van de vier MOSFET's die zich in de buck-boostladereenheid (U2) in Afbeelding 1 bevinden, stelt de BQ25792 lader in staat OTG-opladen te ondersteunen. De lader werkt in de standaard oplaadmodus wanneer de adapter aanwezig is. Als de adapter wordt losgekoppeld, wordt de stroom omgedraaid en gaat deze van de batterij naar VBUS. De BQ25792 is compatibel met de volledige specificatie van het USB PD 3.0 spanningsbereik, van 2,8 tot 22 volt, programmeerbaar in stappen van 10 millivolt (mV).

Nieuwe methode ter ondersteuning van FRS

Ondersteuning voor FRS op de USB Type-C-poort wordt geïmplementeerd via een functie die back-upmodus wordt genoemd en die de DC-DC-convertor (U3) in Afbeelding 1 overbodig maakt. De BQ25792 ondersteunt een ultrasnelle omschakeling voor de buck-boostladersectie van voorwaartse laadmodus naar omgekeerde OTG-modus zonder dat de busspanning buiten de specificatie valt.

Bij normaal gebruik wordt de adapter via de VIN1-poort aangesloten op de BQ25792, waarbij de batterij wordt opgeladen en het systeem en alle aangesloten accessoires via de PMID-uitgang van stroom worden voorzien. Als de adapter wordt losgekoppeld, kan de batterij nog steeds stroom leveren aan het systeem, maar de accessoires die zijn aangesloten op de PMID-pen kunnen stroom verliezen.

In de back-upmodus controleert de lader voortdurend de VBUS-spanning. Wanneer VBUS onder een drempelniveau zakt (wat aangeeft dat de input van de adapter wegvalt), schakelt de lader snel over van laadmodus naar OTG-modus, waarbij de batterij wordt ontladen, de VBUS-spanning wordt geregeld en FRS wordt geïmplementeerd, zonder dat een extra DC-DC-convertor nodig is. De implementatie van FRS met de back-upvoedingsmodus in de BQ25792 zorgt ervoor dat accessoires die zijn aangesloten op de PMID-pen geen voeding verliezen wanneer de VBUS-spanning daalt (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De implementatie van FRS met behulp van de back-upvoedingsmodus in de BQ25792 zorgt ervoor dat accessoires die zijn aangesloten op de PMID-pin geen voeding verliezen wanneer de VBUS-spanning daalt. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De BQ25792 biedt een keuze uit een schakelfrequentie van 1,5 megahertz (MHz) of 750 kilohertz (kHz) om ontwerpers in staat te stellen de grootte en efficiëntie van de oplossing af te stemmen op de behoeften van de toepassing.. Door gebruik te maken van een schakelfrequentie van 1,5 MHz kunnen kleine smoorspoelen (1 micro Henry (µH)) en condensators worden gebruikt. Met een schakelfrequentie van 750 kHz wordt een hoger rendement bereikt, maar dit leidt tot een grotere oplossing vanwege de grotere spoel (2,2 µH) en condensators.

Om de levensduur van de batterij te verlengen en energieverlies te minimaliseren, wordt het systeem uitgeschakeld wanneer het niet wordt gebruikt, wordt verzonden of wordt opgeslagen. In de "verzendmodus" is de I2C nog steeds ingeschakeld, maar de klok van het oplaadsysteem vertraagt ​​om de ruststroom van het apparaat te minimaliseren. Bij normale werking, alleen op de batterij, bedraagt de ruststroom 21 microamperes (µA). In "verzendmodus" daalt de ruststroom tot 600 nanoamperes (nA).

Om ontwerpers op weg te helpen met de BQ25792, biedt Texas Instruments de BQ25792EVM-evaluatiekaart (EVB) om een synchrone buck-boostlader te implementeren, die tot 5 A laadstroom levert met 10 mA resolutie voor 1 tot 4 cellen (Afbeelding 4). Deze EVB bevat een interface om te schakelen tussen opladen en USB OTG. Bovendien kunnen gebruikers de laadstatus, spanningen en stromen, en eventuele storingen controleren met een geïntegreerde analoog-digitaal-convertor (ADC).

Afbeelding 4: De BQ25792EVM-evaluatiekaart kan worden gebruikt om een synchrone buck-boostlader te implementeren die tot 5 A laadstroom levert. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Extra kenmerken van deze EVB zijn:

• USB autodetectie, USB PD en draadloze input, ondersteuning voor inputs van 3,6 tot 24 volt
• Dubbele ingangsbronselector om bidirectionele blokkerende NFET's aan te drijven
• USB OTG-voeding met 2,8 tot 22-volt uitgang met 10 mV resolutie
• Onder 1 µA ruststroom in uitschakel-/verzendmodus
• Talrijke testpunten, jumpers en detectieweerstanden ter ondersteuning van spannings- en stroommetingen

Conclusie

Zoals blijkt, kan het ontwerpen van een universele USB PD oplaadoplossing een complexe taak zijn, en het ontwerpen van opladers die de USB OTG-specificatie ondersteunen kan veel tijd in beslag nemen. Het ontwerpproces kan verder worden bemoeilijkt door de noodzaak om te voldoen aan de timing- en controlecriteria voor USB fast role swap (FRS). Het resultaat kan extra kosten en in gevaar gebrachte ontwerpschema's zijn.

Om dit te vermijden zijn er geïntegreerde buck-boost laders beschikbaar die tegemoet komen aan de behoeften van ontwerpers van draagbare toestellen wat betreft USB PD, OTG opladen, naleving van USB FRS timing- en controlecriteria; en kortere oplaadtijden voor lithiumbatterijen, kleinere vormfactoren, hogere vermogensdichtheid, lagere kosten, en snellere time-to-market.

Aanbevolen lectuur

1. USB Type-C™, USB PD en USB 3.1 Gen 2: nieuwe standaarden voor snelheid en vermogen