© Pixabay
Technologie |
Wzrost mocy zasilania z USB typu C i Power Delivery - cz. 2
Rozważając projekt zasilania oparty na USB warto zatrzymać się i poświęcić chwilę na zrozumienie w jaki sposób zapewnione jest zasilanie i przebiega transfer danych.
Udoskonalono go bowiem od czasów kiedy to komputer zapewniał zasilanie peryferiom a one tylko wymieniały z nim dane.
W dzisiejszych rozwiązaniach: DFP (Downstream Facing Port) wysyła dane, może pobierać informację o mocy przez Vbus oraz pełni rolę hosta lub huba, port UFP (Upstream Facing Port) odbiera dane, również o mocy przez Vbus i komunikuje się z hostem (np. wyświetlaczem), natomiast port DRD (Dual-Role-Data) może działać zarówno jako UFP jak i DFP.
W przypadku DRD rola portu jest określana przez to, czy działa ona jako źródło zasilania (DFP) lub odbiornik danych (UFP). W razie potrzeby jego funkcja może być dynamicznie zmieniana podczas pracy. Port DRD najczęściej spotykany jest w komputerach przenośnych, smartfonach lub tabletach i daje możliwość zasilania wewnętrznej baterii a następnie przełączenia się i zasilania zewnętrznego urządzenia np. dysku twardego lub innych peryferii.
Popularność starych standardów jest jeszcze duża, po woli jednak projektanci wyposażają nowe urządzenia w złącza USB typu C ze względu na ich duże korzyści, w długiej perspektywie czasowej. W standardzie USB typu C zastosowano rezystory podciągające do zasilania (dla DFP) i do masy (dla UFP) na pinach CC1 i CC2.
Rysunek 1. Schemat połączeń rezystorów podciągających dla DFP i UFP
Układ TUSB320 firmy Texas Instruments jest dobrą podstawą do implementacji USB 2.0 typu C. Jest to również szybki sposób na przeprojektowanie urządzenia i zmianę złącza starszego standardu USB 2.0 na USB Typu C. Schemat zastosowania układu jako portu DFP pokazano na rysunku 2, a na rysunku 3 jako UFP.
Rysunki 2. i 3. Schemat użycia układu TUSB320 jako portu DFP i UFP
Protokół USB PD
Produkty, takie jak komputery przenośne, które wymagają więcej prądu do naładowania swoich baterii, nie mogą być ładowane przez standardowy port USB typu C, ale będą wymagały rozszerzonego standardu USB PD. Stworzona technologia pozwala peryferiom na negocjowanie ilości prądu i/lub wyższego lub niższego napięcia płynącego przez przewód USB, niż określono to w standardach 2.0/3.0/3.1. Komunikacja odbywa się za pomocą przewodu USB typu C według schematu CC. Minusem tego rozwiązania jest to, że USB PD zwiększa złożoność i koszty projektu, dlatego powinien być stosowany tylko wtedy, gdy jest niezbędna wyższa wartość mocy, niż to można uzyskać ze standardowych 5V i 3A.
Rozwiązanie USB PD wymaga dodatkowo czterech nowych elementów (rezystorów) w porównaniu do USB 2.0 typu C. Konieczne jest również użycie jako power switcha tranzystora polowego FET dużej mocy razem ze sterownikiem bramki, tak żeby możliwe było zasilanie z 20V i 5A. Należy jednak uważać na stosowanie zintegrowanych sterowników bramki w tranzystorach dużej mocy FET, bo to zwiększa ryzyko powstania zwarcia pomiędzy Vbas a sąsiadującymi wyprowadzeniami. Szczególnie jest to istotne przy zasilaniu dużymi prądami. Dobrą praktyką jest zatem dodawanie zabezpieczeń przed możliwym zwarciem, żeby uniknąć zniszczenia urządzenia.
PD PHY i manager PD
Najbardziej interesującymi dodatkami do projektowania USB PD są PHY PD i manager PD. Urządzenia te razem sprawdzają komunikację na całej linii CC pomiędzy DFP i UFP, i nie jest możliwa implementacja USB PD bez umieszczenia ich w projekcie.
Rysunek 4. PD PHY i manager PD dodane do USB 2.0 typu C dla uzyskania zgodności ze standardem USB PD
Jednym z możliwych rozwiązań jest układ TPS25740 od TI, który oprócz PD PHY i managera PD zawiera w sobie sterownik bramki i logikę CC. Układ jest zgodny z USB PD i może dostarczyć napięcia 5V, 12V i 20V, co gwarantuję moc od 15W do 100W. Układ jest więc idealną bazą do stworzenia DFP. Jeżeli potrzebujemy większej integracji, to najlepszy do tego będzie układ TPS65982 od TI. Może on pracować jako DFP, UFP lub DRP. Innym przykładem dużej integracji jest układ CYPD2103 serii EZ-PD CCG2 od Cypress Semiconductor. Układ zawiera procesor ARM M0 z 32Kb pamięcią flash, PD PHY, managera PD, ale również kontroler portu dla USB typu C z rezystorami końcowymi.
Rysunek 5. Kit ewaluacyjny CY4541 od Cypress Semiconductor zawierający USB typu C i firmware zgodne z USB PD
Zgodnie z przewidywaniami i potrzebami technologia USB ewoluowała oferując nie tylko duży transfer danych ale również w celu zaspokojenia potrzeb na dużą moc ze strony zasilania. W szczególności złącze USB typu C, ze swoją elastycznością i protokołem mocy USB PD jest w stanie sprostać wymaganiom na dużą moc i szybkość ładowania w przyszłych urządzeniach przenośnych.
Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Digi-Key Electronics.
Rysunek 1. Schemat połączeń rezystorów podciągających dla DFP i UFP
Układ TUSB320 firmy Texas Instruments jest dobrą podstawą do implementacji USB 2.0 typu C. Jest to również szybki sposób na przeprojektowanie urządzenia i zmianę złącza starszego standardu USB 2.0 na USB Typu C. Schemat zastosowania układu jako portu DFP pokazano na rysunku 2, a na rysunku 3 jako UFP.
Rysunki 2. i 3. Schemat użycia układu TUSB320 jako portu DFP i UFP
Protokół USB PD
Produkty, takie jak komputery przenośne, które wymagają więcej prądu do naładowania swoich baterii, nie mogą być ładowane przez standardowy port USB typu C, ale będą wymagały rozszerzonego standardu USB PD. Stworzona technologia pozwala peryferiom na negocjowanie ilości prądu i/lub wyższego lub niższego napięcia płynącego przez przewód USB, niż określono to w standardach 2.0/3.0/3.1. Komunikacja odbywa się za pomocą przewodu USB typu C według schematu CC. Minusem tego rozwiązania jest to, że USB PD zwiększa złożoność i koszty projektu, dlatego powinien być stosowany tylko wtedy, gdy jest niezbędna wyższa wartość mocy, niż to można uzyskać ze standardowych 5V i 3A.
Rozwiązanie USB PD wymaga dodatkowo czterech nowych elementów (rezystorów) w porównaniu do USB 2.0 typu C. Konieczne jest również użycie jako power switcha tranzystora polowego FET dużej mocy razem ze sterownikiem bramki, tak żeby możliwe było zasilanie z 20V i 5A. Należy jednak uważać na stosowanie zintegrowanych sterowników bramki w tranzystorach dużej mocy FET, bo to zwiększa ryzyko powstania zwarcia pomiędzy Vbas a sąsiadującymi wyprowadzeniami. Szczególnie jest to istotne przy zasilaniu dużymi prądami. Dobrą praktyką jest zatem dodawanie zabezpieczeń przed możliwym zwarciem, żeby uniknąć zniszczenia urządzenia.
PD PHY i manager PD
Najbardziej interesującymi dodatkami do projektowania USB PD są PHY PD i manager PD. Urządzenia te razem sprawdzają komunikację na całej linii CC pomiędzy DFP i UFP, i nie jest możliwa implementacja USB PD bez umieszczenia ich w projekcie.
Rysunek 4. PD PHY i manager PD dodane do USB 2.0 typu C dla uzyskania zgodności ze standardem USB PD
Jednym z możliwych rozwiązań jest układ TPS25740 od TI, który oprócz PD PHY i managera PD zawiera w sobie sterownik bramki i logikę CC. Układ jest zgodny z USB PD i może dostarczyć napięcia 5V, 12V i 20V, co gwarantuję moc od 15W do 100W. Układ jest więc idealną bazą do stworzenia DFP. Jeżeli potrzebujemy większej integracji, to najlepszy do tego będzie układ TPS65982 od TI. Może on pracować jako DFP, UFP lub DRP. Innym przykładem dużej integracji jest układ CYPD2103 serii EZ-PD CCG2 od Cypress Semiconductor. Układ zawiera procesor ARM M0 z 32Kb pamięcią flash, PD PHY, managera PD, ale również kontroler portu dla USB typu C z rezystorami końcowymi.
Rysunek 5. Kit ewaluacyjny CY4541 od Cypress Semiconductor zawierający USB typu C i firmware zgodne z USB PD
Zgodnie z przewidywaniami i potrzebami technologia USB ewoluowała oferując nie tylko duży transfer danych ale również w celu zaspokojenia potrzeb na dużą moc ze strony zasilania. W szczególności złącze USB typu C, ze swoją elastycznością i protokołem mocy USB PD jest w stanie sprostać wymaganiom na dużą moc i szybkość ładowania w przyszłych urządzeniach przenośnych.
Artykuł uzyskany dzięki uprzejmości © Digi-Key Electronics.
