Článek popisuje problémy spojené s 5G telefony s rychlým nabíjením a jak může USB-C PD 3.0 PPS pomoci efektivně plnit požadavky na stále rychlejší nabíjení větších baterií. Představíme si integrovaný driver USB-C od ON-Semiconductor, který se implementuje pomocí konečného automatu (finite state machine - FMS). Tím není nutný vývoj firmwaru, a urychlí se celá implementace rychlého nabíjení pro nabíječky nové generace.
Výkonnější smartphony – vyšší nároky na adaptéry s rychlým nabíjením
Podle analytiků trhu se očekává, že 5G smartphony budou do roku 2023 představovat více než 50% celkových dodávek smartphonů. Při využívání výhod služeb 5G však uživatelé zjistí, že stávající nabíječky nebudou mít dostatečný výkon. Dostupné 5G telefony již mají větší baterie, jelikož mají daleko větší displeje, propracovanější grafiku, vysoký výpočetní výkon a vyšší datovou propustnost, a tím i vyšší spotřebu energie. Například Samsung S20 Ultra 5G je vybaven 6,9 palcovým displejem a obsahuje baterii o kapacitě 5 000 mAh. To je o 25% větší kapacita než předchozí model.
I když spotřebitelé očekávají delší výdrž baterie, očekávají ale, že doba nabíjení bude kratší. Pro výrobce, kteří chtějí uspokojit rostoucí poptávku po nabíjecích stanicích ve vozidlech, domácnostech a kancelářích, se potřeba zkrácení doby nabíjení pro baterie s vyšší kapacitou stává výzvou.
Výrobci lithium-iontových baterií určují přísné limity pro nabíjecí proud a napětí. Standardní lithium-iontová baterie s kapacitou 1 000 mAh je typicky dimenzována na nabíjecí rychlost 0,7 C čili nabíjecí proud 700 mA. Zcela vybitá baterie 5 000 mAh by při rychlosti nabíjení 0,7 C ( nabíjecí proud 3 500 mA) dosáhla 50% stavu nabití za přibližně 45 minut.
Pokročilejší technologie mohou podporovat rychlost nabíjení vyšší než 1 C, ale nabíječka i nabité zařízení musí být schopny pojmout dramaticky vyšší úrovně energie. Například baterie 5 000 mAh nabitá rychlostí 1,5 C by potřebovala pouze asi 22 minut na nabití z 0% na 50%, ale nabíjecí proud by byl 7,5 A. Takový proud by mohl namáhat komponenty a generovat nadměrnou tepelnou ztrátu i při vysoce účinném nabíjecím systému. USB-C jako standardní průmyslové rozhraní pro napájení a další funkce má omezen maximální proud na 5A, který se může přenášet přes kabel. U některých kabelů to je jen 3 A.
Výrobci mobilních zařízení toto omezení mohou obejít vložením nábojové pumpy (charging pump) mezi napájecí vstup a nabíjecí obvod baterie. Například pro podporu nabíjecího systému 7,5 A by cestovní adaptér mohl dodávat 4 A při 10V, jelikož díky nábojové pumpě je schopen tuto energii převést na 8 A při 5 V. Díky tomu lze zvýšit napětí při zachování aktuální úrovně proudu kompatibilní s USB-C.
Zvýšený nabíjecí výkon vyžaduje účinnější kontrolu
Specifikace USB PD 2.0 definuje kombinaci pevných úrovní napětí (5, 9, 15 a 20 voltů) a proudů (3 nebo 5 A). Přestože pevné PDO USB PD 2.0 umožňují vyšší nabíjecí výkon, nastavení nabíjecího napětí a proudu na pevné nebo příliš nízké úrovni může mít za následek neefektivní nabíjení, nepřijatelné tepelné zatížení a namáhání jednotlivých součástek.
V praxi fungují nabíjecí obvody s optimální účinností, když je jejich vstupní napětí (dodávané USB-C VBUS) mírně nad jejich výstupním napětím (napětí baterie). Protože se napětí baterie během normálního provozu neustále mění, je udržování tohoto bodu optimální účinnosti nabíjení nesnadným úkolem.
Při vybití baterie se rozdíl mezi napětím baterie a nabíjecím napětím USB-C (VBUS) zvětší, a to sníží účinnost nabíjení. Naopak, jak se baterie nabíjí, nabíjecí obvod bude muset snížit nabíjecí proud, aby chránil baterii.
Bez možnosti přímo snížit úroveň nabití dodávaného adaptérem se zvýší ztrátový výkon, a to sníží účinnost a generuje se teplo. Ve výsledku se optimální úroveň nabíjení neustále mění, často v přírůstcích, a to vyžaduje odpovídající řízení nabíjecího napětí a proudu, aby se dosáhlo maximální účinnosti.
Jak USB-C PD 3.0 PPS zvyšuje efektivitu
USB-C PD 3.0 PPS je navržen pro efektivní nabíjení při vyšším nabíjecím výkonu a umožňuje nabíjenému zařízení (sink) požádat nabíječku (source) o zvýšení nebo snížení nabíjecího napětí a proudu v mV a mA. Pomocí této funkce může nabíjené zařízení vyladit své zdrojové napětí a proud tak, aby optimalizoval účinnost nabíjení.
PPS dramaticky mění způsob fungování procesu nabíjení. V minulosti nabíječka plně ovládala a prováděla nabíjecí proces. S PPS se řízení nabíjecího algoritmu přesune na nabíjené zařízení. Zdroj musí dodávat energii podle pokynů nabíjeného zařízení.
S PPS komunikuje smartphone nebo jiné nabíjené zařízení, aby optimalizovalo dodávku energie a dosáhlo vzájemně přijatelné „dohody“ o poskytnutí energie prostřednictvím protokolu zahrnujícího krátkou výměnu informací následujícím způsobem:
- Zdroj zjistí, zda je připojovací kabel schopný přenést 5 A.
- Zdroj informuje (inzeruje) o svých zdrojích napětí a proudu v podobě sedmi PDO (Power Delivery Object)
- Nabíjené zařízení si požádá o jeden z inzerovaných PDO
- Zdroj akceptuje žádost o daný PDO
- Zdroj poskytne energii na dohodnuté úrovni napětí a proudu
Pokročilá mobilní zařízení, jako dříve zmíněný telefon Samsung 5G, využívají tuto schopnost k rychlému nabíjení pomocí kompatibilních nabíječek. Pro výrobce, kteří navrhují rychlonabíjecí adaptéry, implementace tohoto typu nabíjecího protokolu obvykle vyžadovala vývoj firmware schopného provádět tento protokol a obsluhovat související napájecí zařízení.
U standardu USB-C PD PPS, však řešení konečného automatu (finite state machine - FMS) nabízí efektivní alternativu, která eliminuje vývoj firmware. Pomocí implementace driveru FUSB3307 USB-C PD 3.0 včetně PPS od společnosti ON Semiconductor se zrychlí vývoj nabíječek pro smartphony nové generace a dalších mobilních zařízení s vysokokapacitními bateriemi.
Integrovaný řadič pro rychlé nabíječky kompatibilní s USB-C PD 3.0
Driver FUSB3307 od společnosti ON Semiconductor je integrovaný řadič napájecího zdroje, který umožňuje implementaci USB-C PD 3.0 PPS bez nutnosti externího procesoru. Spolu s detekcí kabelu, ovladačem brány zátěže, více ochrannými funkcemi a regulací konstantního napětí (CV) a konstantního proudu (CC) integruje do hardwaru kompletní vrstvu PD 3.0 Device Policy Manager, Policy Engine, Protocol a PHY.
FUSB3307 je navržen tak, aby podporoval nabíječky AC / DC i DC / DC a ke své činnosti potřebuje relativně malý počet externích komponent. FUSB3307 automaticky detekuje požadavky napájeného zařízení a připojovacího kabelu a inzeruje své možnosti v souladu se specifikací USB-C. Když napájené zařízení reaguje výběrem daného PDO, FUSB3307 povolí VBUS a řídicí napájecí obvody, aby zajistily, že do budou dodávány požadované úrovně nabíjecího napětí a proudu.
Protože FUSB3307 integruje celou sadu řídicích funkcí a základní principy provozu zůstávají koncepčně stejné pro nabíječky AC / DC i DC / DC. V reakci na příkazy z napájeného zařízení používá FUSB3307 svůj výstupní pin CATH k přenosu zpětnovazebního řídicího signálu do výkonového stupně. Během nabíjecích operací monitoruje FUSB3307 nabíjecí napětí pomocí pinu VFB a nabíjecí proud detekovaný přes snímací rezistor pomocí pinů IS+ a IS-. Tyto monitorované úrovně se přenáší do obvodů vnitřní smyčky napětí a proudu vázaných na piny napětí (VFB) a proudu (IFB). Tyto signály zase pracují na ovládání pinu CATH pro řízení CV a CC. Další piny v 14pólovém pouzdře SOIC podporují ovladač brány zátěže, rozhraní konektoru USB-C a další ochranné prvky.
Řadič FUSB3307 zjednodušuje design nabíječky
Pro každý typ nabíječky se budou samozřejmě používat různé konfigurace pro primární výstup CATH, vstup VFB a další piny. V AC / DC nabíječce nebo AC / DC adaptéru driver FUSB3307 monitoruje napětí a proud na sekundární straně a řídí zpětnou vazbu na primární straně (obrázek 1).
Obrázek 1: V provedení AC / DC pro nabíječku nebo adaptér reaguje FUSB3307 na příkazy od nabíjeného zařízení pro různá nabíjecí napětí ovládáním PWM ovladače přes izolační optočlen. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)
V této konstrukci se výstupní pin CATH připojuje k optočlenové katodě na sekundární straně, aby dodávala zpětnovazební řídicí signál do řadiče PWM jako je například NCP1568 od ON Semiconductor. Na sekundární straně se monitoruje napětí a proud ze synchronního řadiče usměrňovače, jako je ON Semiconductor NCP4308 .
Například v nabíječce používané v automobilovém průmyslu FUSB3307 přímo ovládá měnič DC / DC. Zde je zpětnovazební signál FUSB3307 CATH připojen ke kompenzačnímu (COMP) pinu napťového regulátoru DC / DC, jako je ON Semiconductor NCV81599 (obrázek 2).
Obrázek 2: FUSB3307 přímo řídí napěťový výstup řadiče DC / DC a zvyšuje nebo snižuje výstupní napětí podle pokynů napájeného zařízení. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)
ON Semiconductor implementuje tento specifický design nabíječky DC / DC do své vývojové desky FUSB3307MX-PPS-GEVB. Deska je navržena pro provoz z jednoho stejnosměrného napájecího zdroje a poskytuje kompletní nabíjecí zdroj kompatibilní s USB PD 3.0 s PPS, dodávající proud maximálně 5 A na úrovních napětí VBUS od 3,3 V až do 21 V.
Vývojová deska umožňuje prozkoumat vlastnosti FUSB3307 a jeho interakci se zařízeními USB PD 3.0 a se staršími zařízeními USB PD 2.0. Vývojáři mohou okamžitě začít zkoumat proces rychlého nabíjení sledováním napětí a proudu VBUS dodávaného deskou do zařízení podporujícího USB-C PD, jako je notebook nebo smartphone.
Obrázek 3: Vývojová deska FUSB3307MX-PPS-GEVB od ON Semiconductor demonstruje schopnost FUSB3307 reagovat na příkazy telefonu, aby došlo k doladění nabíjecího napětí a proudu. (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)
Po připojení telefonu k desce vybere 5G telefon základní PDO (5,00 voltů a max. 5,00 A), jak je znázorněno na prvních 10 sekundách obrázku 3. V této fázi je nabíjecí napětí VBUS 5 V a telefon snižuje nabíjecí proud až na 2 A IBUS. Telefon poté požaduje rozšířený PDO, který deklaruje schopnost zdroje dodávat 8 voltů při 4 A. FUSB3307 vyhovuje požadavku a změna je okamžitá. VBUS vyskočí na 8 voltů podle požadavku a IBUS vykazuje postupný nárůst.
Po tomto ostrém skoku je postupné zvyšování nabíjecího výkonu možné jen s PPS. Telefon 5G požaduje zvýšení VBUS o 40 mV přibližně každých 210 ms, čímž se VBUS postupně zvyšuje. Když IBUS dosáhne 4 A (přerušovaná zelená čára na obrázku), FUSB3307 použije standardní protokol PPS k vydání výstražné zprávy oznamující telefonu 5G, že bylo dosaženo požadovaného aktuálního limitu.
Telefon 5G nadále vydává žádosti o další zvýšení VBUS v krocích po 40 mV až nakonec dosáhne hodnoty 9,8 voltů. Díky adaptivnímu nabíjení se může dosáhnout maximální efektivity, aniž by došlo k přehřátí nebo jinému ohrožení napájeného zařízení (mobilního telefonu).
Závěr
5G telefony přinášejí uživatelům řadu nových funkcí a schopností. Díky tomu roste jejich energetická náročnost a tak jsou nutné baterie s větší kapacitou. Musí se zajistit, aby nabíječky poskytovaly rychlé nabíjení bez přehřátí telefonu. FUSB3307 od společnosti ON Semiconductor nabízí funkce USB PD 3.0 PPS, a to bez nutnosti vývoje firmware.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Stephen Evanczuk.
