reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Pixabay Technologie | 11 kwietnia 2017

Wzrost mocy zasilania z USB typu C i Power Delivery - cz. 1

Interfejs USB ewoluował od typowego złącza, którym przesyłane są dane i zasilane urządzenia o niewielkich potrzebach energetycznych, do superszybkiej magistrali, która może dostarczyć do urządzeń nawet 100W mocy.
Opracowany standard USB typu C razem z rozszerzeniem USB Power Delivery (PD) 2.0/3.0 rozpoczyna tą ewolucję.

Standardowo port USB typu C może przesłać 15W mocy dla napięcia 5V i prądu 3A, ale już USB typu C z USB PD umożliwia obsługę na wielu poziomach mocy, do maksymalnie 100W dla napięcia 20V i prądu 5A. Jedynym minusem jest wzrost kosztów związany ze wzrostem ilości elementów w tym rozwiązaniu. Na szczęście, projektanci mogą skorzystać z nowych możliwości i rozwiązań, takich jak: dwustronne zasilanie, negocjacja profilu zasilania czy możliwość budowy 100W zasilaczy do ładowania urządzeń a nawet komputerów przenośnych w sposób szybki oraz bezpieczny.

W artykule zostaną przybliżone możliwości wykorzystania USB typu C i Power Delivery.

USB staje się bardziej skoncentrowany

Pierwsi projektanci standardu USB wykazali dużą dalekowzroczność, umożliwiając urządzeniom małej mocy zarówno przesyłać dane, jak je zasilać. Obecnie miliardy urządzeń wyposażone są w złącza USB, z tą jedną różnicą, że technologia USB jest już daleko od pierwotnych założeń dedykowanym tylko urządzeniom peryferyjnym i akcesoriom komputerowym. Na szczęście cały czas dążymy do większej integracji, a nowe projekty mają na celu optymalizację i stworzenie wysoce elastycznego interfejsu USB typu C zawierającego protokoły komunikacyjne 1.0, 2.0, 3.0 lub 3.1, a w przypadku kiedy wymagana jest większa moc – protokoły zasilania USB Power Delivery (PD) 2.0/3.0.

USB typu C ze standardem ładowania 1.1 i 1.2

W 2014 roku wprowadzono USB typu C ze specyfikacją 1.0, żeby zaspokoić od lat rosnące zapotrzebowanie na kompaktową i dwustronną wtyczkę, która może działać niezależnie od kierunku jej podłączenia. Dwustronne 24-pinowe złącze USB typu C obsługuje kilka standardów łączności, zawiera linie o dużej szybkości transmisji danych i ulepszony interfejs zasilania.


Rysunek 1. Dwustronna wtyczka USB typu C z rozrysowanymi 24 pinami


Ze względu na rosnący rynek urządzeń mobilnych, producenci zdali sobie sprawę, że dostarczane 500mW przez USB jest niewystarczające. W związku z tym, wprowadzono USB 2.0 zwiększając maksymalny prąd do 500mA i moc do 2,5W. To jednak znowu okazało się za mało. Kolejnym krokiem było stworzenie USB 3.0, o maksymalnym prądzie 900mA i mocy 4,5W, ale i to wkrótce przestało wystarczać. Rosnące pojemności baterii smartfonów i tabletów oraz fakt, że USB było coraz częściej używane do ładowania, zaowocowało powstaniem nowego, specjalnego protokołu ładowania USB Battery Charging (USB BC). Po modernizacji technologii USB 2.0 w 2010r. wprowadzono USB Charging Battery 1.1, a następnie 1.2. Niewątpliwą zaletą tego rozwiązania stała się możliwość ładowania urządzenia bez rezygnowania z transferu danych. W ten sposób możliwe stało się ładowanie urządzeń z komputerów a nie tylko z ładowarek.

Standard USB BC posiada trzy rodzaje portów, które określają sposób ładowania akumulatora urządzenia: Dedicated Charging Port (DCP), Standard Downstream Port (SDP), Charging Downstream Port (CDP).


Rysunek 2. Trzy rodzaje portów USB BC


Dalszy wzrost mocy

Nowe rozwiązanie USB BC wyraźnie poprawiło sytuację w ładowaniu urządzeń i umożliwiło zwiększenie mocy do 25W, dla prądu o maksymalnym natężeniu 5A. Realne stało się naładowanie typowego smartfona w godzinę. Jednak stale postępujący rozwój komputerów przenośnych i tabletów, zmusił po raz kolejny projektantów do poszukiwania innych rozwiązań, pozwalających na ładowanie urządzeń potrzebujących jeszcze więcej mocy. W celu sprostania tym wymaganiom w 2012 roku organizacja USB-IF (USB Implementers Forum) wprowadziła nowe rozszerzenie standardu USB Power Delivery (PD) 1.0.

Ważnym czynnikiem dla wprowadzenia tego standardu była redukcja e-odpadów, na skutek standaryzacji sposobu ładowania i wprowadzenia przez producentów jednej ładowarki zdolnej do zasilania różnych urządzeń przenośnych. Do charakterystycznych cech nowego rozwiązania zaliczyć należy wzrost mocy do 100W (20V/5A), kompatybilność z wcześniejszymi standardami 2.0/3.0 oraz współpracę z USB DC 1.2. Należy jednak zaznaczyć, że powyżej 7,5W konieczne jest stosowanie bardziej odpornych na obciążenia przewodów. Dlatego, nie należy oszczędzać na jakości i kupować jedynie przewody sprawdzonych producentów.

Standard PD 1.0 obejmuje pięć profili zasilania (Power Profiles), które odpowiednio zwiększają maksymalną obciążalność, aż do 100W, dla trzech napięć zasilania 5V, 12V, 20V. Obecnie profile zasilania zostały usunięte z kolejnej wersji standardu PD 2.0 i zaadoptowane jako część standardu USB 3.1. Profile zasilania zastąpiono Power Rules, dla czterech poziomów napięć zasilania 5V, 9V, 15V, 20V. Prąd może się zmieniać w sposób ciągły (do 5 A), w zależności od wymaganego poziomu mocy. Również na każdym poziomie mocy, możliwe jest zasilanie urządzeń, które wymagają niższego napięcia i mocy.


Rysunek 3. Wzrost mocy w zależności od zastosowanych poziomów napięć i prądu dla USB PD 3.0


W kolejnej wersji USB PD 3.0 wprowadzono pewne zmiany w celu zwiększenia dostaw energii i odporności systemu, z wyjątkiem Power Rules. USB PD 2.0 i 3.0 są całkowicie kompatybilne w obie strony.


Tabela 1. Wzrost mocy w zależności od typu użytego standardu USB


Największą zaletą dla projektantów z wprowadzenia nowego standardu USB PD jest to, że hosty, urządzenia podrzędne i akcesoria mogą negocjować poziomy napięć i ilość potrzebnego prądu za pomocą linii Vbus, bez potrzeby wykorzystywania linii danych. W ten sposób możemy jednocześnie ładować urządzenie i przesyłać potrzebne dane. Wreszcie możliwość ustalenia potrzebnej mocy pomiędzy urządzeniem a ładowarka, poprawiła wydajność całego systemu i umożliwiła ładowanie z maksymalną dostępną szybkością.



Część 2 artykułu już wkrótce, a w niej:
  • Projekt zasilania USB
  • Protokół USB PD
  • PD PHY i manager PD


Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Digi-Key Electronics.

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
September 15 2017 09:25 V8.7.1-2