K překonání omezení napájení lze přidat USB Power Delivery (PD) a vytvořit tak zařízení typu C PD, které dokáže dodat až 100 wattů (20 voltů, 5 A) ve standardním rozsahu napájení (SPR). Namísto programování komplexního protokolu USB PD je možné jednoduše nakonfigurovat standardní PD kontrolér a přidat jej do AC/DC nabíječek a proudově řízených USB portů. Tento článek poskytuje přehled základních požadavků na systémy PD. Poté představí FUSB15101MNTWG PD kontrolér od Onsemi a ukáže, jak rychle a jednoduše nakonfigurovat firmware předprogramovaného kontroléru pomocí vývojových desek, vývojového software, programovacích / ladicích adaptérů a analyzátoru protokolu PD.
Spínací převodník s řízenou regulací výkonu
V minulosti se analogové nabíječky pro bateriově napájená zařízení skládaly pouze ze dvou částí: transformátoru a usměrňovače. Nyní je ale nutností vyšší účinnost, větší flexibilita a minimální rozměry. Dnešní spínací převodníky s mikrokontrolerem musí dynamicky vyjednávat svůj výstupní výkon s připojenými inteligentními zátěžemi prostřednictvím protokolu. USB PD je jedním z takových protokolů. Ve verzi 3.1 je možno přenést až 240 W prostřednictvím inteligentního propojovacího kabelu USB Type-C Electronically Marked Cable Assembly (EMCA), přičemž je zároveň zachována zpětná kompatibilita se staršími standardy USB. Řízení dynamického přenosu výkonu PD přes 24pinový konektor USB-C však daleko přesahuje statická řídicí napětí na datových linkách klasického čtyřvodičového USB rozhraní.
Zařízení USB PD může fungovat jako zdroj napájení (DFP- downstream facing port), jako spotřebitel (UFP- upstream facing port) nebo zařízení v režimu duálního portu (DRP- dual role port). PD zařízení jako zdroj interně přepíná pull-up rezistory na dvě řídicí vedení (CC1 a CC2). PD zařízení jako spotřebitel se identifikuje pomocí vnitřních pull-down odporů. Dvě CC linky se současně používají k přenosu PD zpráv o délce až 356 bitů při taktovací frekvenci 300 kHz (obrázek 1). Krátké řídicí zprávy koordinují tok zpráv mezi dvěma partnery, zatímco delší datové zprávy se používají k vyjednávání výkonu a řízení vestavěného autotestu (BIST - built-in self-test) nebo přenosu specifického obsahu pro OEM.
Obrázek 1: Struktura zprávy PD může dosahovat délky až 356 bitů. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor, přes embedded.com)
Vyjednávání výkonu mezi PD zařízeními
USB PD 3.0 SPR definuje několik pevných úrovní napětí mezi 5 a 20 V a podporuje pouze profily statického výkonu do 100 W. Pomocí rozšíření PPS (Programmable Power Supply) může zařízení USB v reálném čase požadovat napětí z napájecího zdroje USB mezi 3 a 21 V v krocích po 20 mV. PPS tak zjednodušuje elektroniku spínacího převodníku v mobilním zařízení, snižuje rozptyl tepla a urychluje nabíjení tím, že optimálně přizpůsobí výkon. USB PD 3.1 definuje rozšířený výkonový rozsah EPR – (Extended Power Range) až do maxima 240 W a používá nastavitelný zdroj napětí AVS ( Adjustable Voltage Supply) k regulaci napětí sběrnice ve vyšším rozsahu mezi 15 a 48 V.
Vzhledem k tomu, že proud 3 A již překračuje proudovou kapacitu běžných USB kabelů, USB Implementers Forum (USB-IF) stanovuje, že musí být použity speciální kabely EMCA. Vyznačují se silnějšími průřezy vodičů i silnější izolací kabelů. Čipy E-Marker uvnitř kabelových zástrčkách zároveň ovlivňují vyjednávání o výkonu mezi zdrojem a napájeném zařízením. PD komunikace používá speciální K-kódy pro tvorbu zpráv. Speciální sekvence K-kódu, která označuje začátek sekvence, se nazývá Start Of Packet (SOP). Jsou definovány tři sekvence: SOP, SOP' a SOP'', takže DFP (zdroj energie, jako je síťový nabíjecí adaptér PD) může komunikovat jako iniciátor s jedním ze dvou čipů E-Marker v konektorech kabelu EMCA stejně jako s UFP (USB power sink). Vývojový diagram na obrázku 2 ukazuje výměnu zpráv během úspěšného vyjednávání napájení mezi dvěma zařízeními PD připojenými přes kabel EMCA.
Obrázek 2: Zobrazeno je úspěšné vyjednávání napájení mezi dvěma zařízeními USB PD přes kabel EMCA. Poznámka: Rqt = požadavek; Ack = Potvrzení. (Zdroj obrázku: Cypress Semiconductor, přes embedded.com)
Konfigurace místo programovaní
Složitost protokolu PD znamená pečlivé programování. Rychlejším způsobem je nakonfigurovat předem naprogramovaný driver USB PD s vlastními funkcemi. Příkladem driveru je onsemi FUSB15101MNTWG. Jedná se o integrovaný driver USB PD 3.1, který může ovládat spínací regulátor na primární straně adaptéru AC/DC prostřednictvím optočlenu nebo přímo ovládat regulátor proudu DC/DC portu. Toto all-in-one řešení minimalizuje složitost obvodů prostřednictvím optimalizovaných hardwarových periferií, včetně digitálně-analogových a analogově-digitálních převodníků, NTC pro snímání teploty a hradlového driveru NMOS. Open-source firmware s aplikačním programovacím rozhraním API a integrovaným vývojovým prostředím IDE na bázi Eclipse usnadňují programování.
FUSB15101 obsahuje procesor Arm Cortex M0+ s rozhraním UART a podporuje specifikaci PPS regulující výstupní napětí od 3,3 do 21 V. Nabízí programovatelnou regulaci konstantního napětí (CV) a konstantního proudu (CC) a je schopen kompenzovat kabelové ztráty. K dispozici jsou také ochranné funkce proti přepětí, podpětí, nadproudu a přehřátí. Součástí jsou také ochranné diody proti přepětí na pinech konektoru USB-C. PD driver podporuje napájení VCONN pro čipy E-Marker v kabelech EMCA, zatímco jeho režimy nečinnosti a spánku splňují požadavky CoC (Certificate of Conformity) a DOE (Design of Experiments).
Mezi typické aplikace patří:
- AC/DC adaptér kompatibilní s USB PD (viz Aplikace 1)
- DC/DC porty kompatibilní s USB PD (viz Aplikace 2)
Aplikace 1: AC/DC spínaný napájecí zdroj s výstupem USB PD
V této aplikaci FUSB15101 USB PD kontrolér ovládá kvazi-rezonanční (QR) flyback spínací regulátor NCP1345Q02D1R2G na primární straně AC/DC spínaného zdroje přes optočlen. NCP1345 pracuje s napětím 9 až 38 V z pomocného vinutí transformátoru, zatímco pomocí druhého pomocného vinutí generuje napětí, které je čtyřikrát vyšší, aby bylo zajištěno dostatečné spínací napětí pro MOSFET při nízkém výstupním napětí USB 3,3 V. Na sekundární straně řídí synchronní usměrnění regulátor NCP4307AASNT1G. Kombinace tří integrovaných obvodů vede k napájecímu zdroji s řazením převodových stupňů, který trvale dosahuje přibližně 90% účinnosti napříč různými výkonovými profily PD. Obrázek 3 ukazuje hlavní schéma zapojení síťové nabíječky USB-C PD 3.0 PPS založené na třech integrovaných obvodech, které dodávají 65 W (20 V / 3,25 A).
Obrázek 3: V tomto řešení pro nástěnné USB PD nabíječky ovládá FUSB15101 přes optočlen NCP1345 QR flyback spínací regulátor na primární straně AC/DC spínaného zdroje. (Zdroj obrázku: onsemi)
Vlastní aplikaci napájení USB PD lze spouštět pomocí vývojové desky NCP1342PD65WGEVB, která je znázorněna na obrázku 4.
Obrázek 4: Vývojová deska NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0. (Zdroj obrázku: onsemi)
Akumulační tlumivka této desky ve formě kompaktního transformátoru RM8 poskytuje výstupní výkon 60 W (20 V / 3 A). Kvazi-rezonanční flyback spínací regulátor NCP1342BMDCDD1R2G pracuje s napětím 9 až 28 V pouze z jednoho pomocného vinutí. Regulátor je vhodný pro vývoj vysoce výkonných offline napájecích konvertorů a adaptérů USB PD a nabízí rychlé skládání frekvence (RFF) pro lepší účinnost v celém rozsahu zatížení. Integrovaný aktivní vybíjecí kondenzátor X2 eliminuje potřebu vybíjecích odporů a umožňuje spotřebu energie pod 40 mW bez zátěže.
Aplikace 2: DC/DC proudový regulátor pro USB PD port
V této aplikaci driver FUSB15101 USB PD řídí čtyřstupňový ovladač konvertoru DC/DC NCV81599MWTXG se čtyřmi stupni buck/boost a step-up/down. To umožňuje rozšířit port USB-C, který je jinak omezen na 15 W, na zdroj napájení PD, který poskytuje více než 60 W a je napájen interním stejnosměrným napájením nebo baterií (obrázek 5).
Obrázek 5: V této aplikaci DC/DC regulátoru proudu port FUSB15101 přímo ovládá čtyřstupňový DC/DC regulátor konvertoru NCV81599. (Zdroj obrázku: onsemi)
Ušetřit čas a okamžitě začít testovat a programovat s NCV81599 lze pomocí desky FUSB3307MPX-PPS-GEVB. Tento obvod regulátoru proudu převádí port USB na zdroj proudu PD 3.0 PPS, který dodává až 5 A při napětí sběrnice od 3,3 do 21 V (obrázek 6). Obvod je schopen detekovat kabely E-Marker a může být provozován samostatně nebo připojen k testovacímu zařízení.
Obrázek 6: FUSB3307MPX-PPS-GEVB je vývojová pro NCV81599, která mění porty USB na zdroj napájení PD 3.0 PPS. (Zdroj obrázku: onsemi)
Stejnosměrný zdroj nebo baterie napájí vstup VBAT desky FUSB3307 napětím 4,5 až 32 V. Obvod řídí provoz konstantního napětí (CV) nebo konstantního proudu (CC) a má ochranu proti přepětí, podpětí, zkratu, přehřátí a poruchám kabelu.
Programování FUSB15101
Firmware FUSB15010 je vlastně optimalizovaný driver PD řadiče typu C, který má integrovaný procesor Arm Cortex M0+. Firmware umožňuje zpracování nových zpráv PD i dalších stavových toků typu C. Kód je organizován modulárním způsobem, odděluje zdrojový kód aplikace, vrstvu abstrakce hardware, kód závislý na platformě a základní funkce USB Type-C PD. Základní funkce PD lze konfigurovat pomocí sestavení projektu nebo úpravou souboru „vendor info file - vif_info.h“. Základ kódu zahrnuje ukázkový projekt Eclipse, který lze zkompilovat pomocí IDE, a to umožňuje rychlejší spuštění pro vyhodnocení samostatného řadiče typu C PD. V tabulce 1 jsou ukázány PD profily podporované FUSB15101. PDO - power delivery object.
Tabulka 1: PD profily podporované FUSB15101. (zdroj tabulky: onsemi)
Jak již bylo zmíněno, parametry nabíjecího profilu lze velmi snadno upravit v souboru „vif_info.h“. Následující kód ukazuje, jak změnit maximální proud v PDO 4 z 20 V / 3 A na 20 V / 3,25 A:
Aktuální hodnoty PDO:
#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20 000 mV
#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 300 // 3,00 A
Nové hodnoty PDO:
#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20 000 mV
#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 325 // 3,25 A
Další podrobnosti a pokyny pro instalaci IDE, stejně jako import firmware a kompilaci binárního souboru, naleznete v dokumentaci k FUSB15101EVBSPG. Instalace programovacích nástrojů a postup jednorázového flash jsou popsány v uživatelské příručce UM70086-D. Vhodný programovací a ladicí adaptér Arm Cortex-M pro usnadnění vývoje je 8.08.91 J-LINK EDU MINI od Segger Microcontroller Systems.
Kontrola komunikace PD
K ověření komunikace mezi dvěma zařízeními USB PD lze použít analyzátor protokolu CY4500 od Infineon Technologies, který podporuje specifikace USB PD3.0 a USB-C. Analyzátor je schopen zachytit zprávy protokolu na CC linkách. Přidružený software EZ-PD podrobně uvádí všechny zprávy dialogu mezi dvěma zařízeními USB PD a kabelem EMCA (obrázek 7).
Obrázek 7: Software pro analýzu EZ-PD sleduje dialog mezi dvěma zařízeními USB PD přes CC linky. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)
Závěr
I když je důležité porozumět základům protokolu USB PD, aby bylo možné přizpůsobit návrhy tak, aby vyhovovaly rostoucím požadavkům na napájení, není to ale jediný způsob. Místo rozsáhlého programování lze ušetřit čas použitím předprogramovaného integrovaného driveru USB PD, a tím zvýšit výkonu z 15 W USB-C na více než 100 W. AC/DC USB nabíječky, stejně jako DC/DC USB porty lze rozšířit o PD funkce jednoduchou konfigurací driveru. K dispozici jsou vývojové desky a analyzátory protokolu, který celý vývojový proces urychlí.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
