Verwenden Sie einen USB-C-Ladecontroller, um schnelles Laden ohne Firmware zu implementieren

Der Trend zu größeren Displays, höherer Leistung und höherem Datendurchsatz in 5G-Smartphones führt zu einem Bedarf an größerer Akkukapazität mit Schnellladefähigkeit. Die Herausforderung für Entwickler besteht darin, konventionelle Lademethoden zu umgehen, die Ineffizienzen mit sich bringen, die bei den erforderlichen Leistungsstufen zu Überhitzung führen können, um die immer anspruchsvolleren Erwartungen der Verbraucher an das Schnellladen zu erfüllen.

Die Einführung der programmierbaren Stromversorgung (PPS) in USB Typ-C® (USB-C) Power Delivery (PD) 3.0 trägt dazu bei, eine effektive Lösung zu bieten, aber die erforderliche Firmware-Entwicklung kann die Produktauslieferung immer noch verzögern.

Dieser Artikel beschreibt die Probleme, die mit dem Schnellladen von 5G-Telefonen verbunden sind, und wie USB-C PD 3.0 PPS den Entwicklern helfen kann, die Anforderungen an das immer schnellere Laden größerer Akkus effizient zu erfüllen. Anschließend wird vorgestellt und gezeigt, wie Entwickler einen hochintegrierten USB-C-Controller von ON Semiconductor verwenden können, der USB-C PD 3.0 PPS in einem endlichen Zustandsautomaten (FSM) implementiert. Dadurch entfällt die Notwendigkeit der Firmware-Entwicklung, was die Implementierung des Schnellladens für Ladegeräte der nächsten Generation beschleunigt.

Leistungsfähigere Smartphones bringen neue Herausforderungen für Schnellladeadapter

Marktanalysten zufolge werden 5G-Smartphones bis 2023 voraussichtlich über 50 % der gesamten Smartphone-Lieferungen ausmachen. Bei der Verwendung dieser Telefone zur Nutzung der Vorteile von 5G-Diensten, werden Benutzer jedoch feststellen, dass die vorhandene Basis von Telefonladegeräten und Ladestationen den Anforderungen an schnelles Laden dieser neuen Generation von Smartphones nicht gerecht wird.

Wie bereits in 5G-Telefonen wie dem Samsung S20 Ultra 5G zu sehen, bieten diese hochentwickelten Geräte größere Displays sowie eine höhere Verarbeitungsleistung und einen weitaus größeren Datendurchsatz als bei Telefonen der früheren Generation. Passend zu den größeren Displays und dem entsprechend höheren Stromverbrauch verfügen die verfügbaren 5G-Handys bereits über größere Akkus. So verfügt das Samsung S20 Ultra 5G über ein 6,9-Zoll-Display und einen Akku für 5000 Milliamperestunden (mAh) - 25 % mehr Kapazität als beim Vorgängermodell.

Während die Verbraucher die längere Akkulaufzeit erwarten, die mit Akkus größerer Kapazität möglich ist, erwarten sie auch, dass die Ladezeiten noch kürzer werden - statt 25 % länger. Für Hersteller, die die wachsende Nachfrage nach Ladestationen in Fahrzeugen, Haushalten und Büros befriedigen wollen, wird die Notwendigkeit, die Ladezeit für Batterien mit höherer Kapazität zu verkürzen, angesichts der Einschränkungen bei den Batterien selbst zu einer großen Herausforderung.

Die Hersteller von Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) geben strenge Grenzwerte für Ladestrom und -spannung vor. Ein herkömmlicher Lithium-Ionen-Akku mit einer Kapazität von 1000 mAh ist typischerweise für einen Ladestrom von 0,7 C oder 700 mA ausgelegt. Angewandt auf einen vollständig entladenen 5000mAh-Akku würde eine 0,7C-Laderate (oder 3500 mA Ladestrom) etwa 45 Minuten benötigen, um einen Ladezustand von 50 % zu erreichen.

Fortschrittlichere Batteriezellentechnologien können Laderaten von mehr als 1 C unterstützen, aber sowohl das Ladegerät als auch das zu ladende Gerät müssen mit dramatisch höheren Leistungspegeln zurechtkommen. Ein 5000mAh-Akku, der mit einer höheren Rate von 1,5 C geladen wird, würde zum Beispiel nur etwa 22 Minuten benötigen, um von 0 % auf 50 % zu laden, aber der Ladestrom von 7,5 Ampere (A) könnte die Komponenten belasten und selbst in hocheffizienten Ladesystemen eine übermäßige thermische Belastung erzeugen. Mit der breiten Akzeptanz von USB-C als Industriestandardschnittstelle für Stromversorgung und andere Funktionen wäre ein kompatibles Ladegerät in der maximalen Stromstärke, die es über ein USB-C-Kabel liefern kann, begrenzt. Der maximale Strom beträgt 5 A für USB-C-Kabel, die einen Emarker-IC enthalten, der Kabelinformationen an angeschlossene Geräte liefert. (Für Kabel ohne Emarker beträgt der maximale Strom 3 A).

Hersteller von Mobilgeräten können diese Einschränkung natürlich überwinden, indem sie eine Ladepumpe zwischen Versorgungseingang und Batterieladeschaltung einfügen. Um ein 7,5A-Ladesystem zu unterstützen, könnte der Reiseadapter z. B. 10 Volt bei 4 A liefern und sich dabei auf eine typische durch 2 teilende Ladepumpe verlassen, die 5 Volt bei etwa 8 A an den Ladestromkreis ausgibt. Dieser Ansatz ermöglicht es einem Reiseadapter, die USB-C-Spannung (VBUS) zu erhöhen und gleichzeitig einen USB-C-kompatiblen Strompegel beizubehalten.

Erhöhte Ladeleistung erfordert effektivere Steuerung

Die Unterstützung von VBUS-Pegeln größer als 5 Volt hat die Verwendung dieses Ansatzes von hoher Spannung und niedrigem Strom ermöglicht. Die USB-PD-2.0-Spezifikation definiert eine Reihe fester Power-Delivery-Objekte (PDOs), die Kombinationen von festen Spannungspegeln (5, 9, 15 und 20 Volt) und Strömen (3 oder 5 A) festlegen.

Obwohl die festen PDOs von USB PD 2.0 eine höhere Ladeleistung ermöglichen, kann die Einstellung der Ladespannung und des Ladestroms auf feste Werte, die zu hoch oder zu niedrig sind, zu ineffizientem Laden, inakzeptabler thermischer Belastung und Stress für die Komponenten führen. In der Praxis arbeiten Ladeschaltungen mit optimalem Wirkungsgrad, wenn ihre Eingangsspannung (geliefert von USB-C VBUS) leicht über ihrer Ausgangsspannung (Batteriespannung) liegt. Da sich die Batteriespannung im Normalbetrieb jedoch ständig ändert, ist es eine Herausforderung, diesen Punkt der optimalen Ladeeffizienz zu halten. Wenn sich der Akku entlädt, vergrößert sich die Differenz zwischen der Akkuspannung und der USB-C-Ladespannung (VBUS), wodurch die Ladeeffizienz sinkt. Umgekehrt muss die Ladeschaltung den Ladestrom reduzieren, wenn die Batterie geladen wird, um die Batterie zu schützen.

Ohne die Möglichkeit, die vom Reiseadapter gelieferten Ladepegel direkt zu reduzieren, steigt die Verlustleistung, was den Wirkungsgrad senkt und Wärme erzeugt. Infolgedessen ändert sich der optimale Ladepegel ständig, oft in kleinen Schritten, was eine entsprechende stufenweise Regelung der Ladespannung und des Ladestroms erfordert, um eine maximale Effizienz zu erreichen.

Wie USB-C PD 3.0 PPS die Effizienz steigert

USB-C PD 3.0 PPS wurde entwickelt, um dem wachsenden Bedarf an effizienterem Laden bei höherer Ladeleistung gerecht zu werden. Sie ermöglicht es dem zu ladenden Gerät (Senke), das Ladegerät (Quelle) aufzufordern, die Ladespannung und den Ladestrom in mV- und mA-Schritten zu erhöhen oder zu verringern, die in erweiterten PDOs angekündigt werden. Mit dieser Fähigkeit kann eine Senke ihre Quellenspannung und ihren Strom abstimmen, um die Ladeeffizienz zu optimieren.

Mit der Einführung von PPS ändert sich die Funktionsweise des Ladevorgangs drastisch. In der Vergangenheit hat das Quellladegerät den Ladealgorithmus sowohl gesteuert als auch ausgeführt. Bei PPS verlagert sich die Steuerung des Ladealgorithmus auf die Senke, so dass die Quelle den Algorithmus gemäß den Anweisungen der Senke ausführen muss.

Bei PPS kommuniziert ein Smartphone oder eine andere Senke mit einer Ladequelle, um die Stromversorgung zu optimieren, wobei ein einvernehmlicher PD-„Vertrag“ durch ein Verhandlungsprotokoll mit einem kurzen Austausch wie folgt zustande kommt:

1. Die Quelle erkennt, ob das Anschlusskabel 5A-fähig ist
2. Die Quelle gibt ihre Quellenspannungs- und Stromfähigkeiten bekannt, die in bis zu sieben PDOs beschrieben werden
3. Die Senke fordert eines der ausgeschriebenen PDOs an
4. Die Quelle akzeptiert das angeforderte PDO
5. Die Quelle liefert Strom mit den vereinbarten Spannungs- und Stromwerten

Fortschrittliche Mobilgeräte wie das bereits erwähnte 5G-Telefon von Samsung nutzen diese Fähigkeit, um mit kompatiblen Ladegeräten schnelles Laden zu ermöglichen. Für Hersteller, die Schnelllade-Reiseadapter entwickeln und Ladestationen in andere Produkte einbauen, würde die Implementierung dieser Art von Ladeprotokoll typischerweise die Entwicklung von Controller-Firmware erfordern, die in der Lage ist, das Protokoll auszuführen und zugehörige Stromversorgungsgeräte zu betreiben. Für einen etablierten Standard wie USB-C PD PPS bietet eine FSM-Lösung jedoch eine effektive Alternative, da die Notwendigkeit der Firmware-Entwicklung entfällt, die die endgültige Produktauslieferung verzögern kann. Mit einer FSM-Implementierung von USB-C PD 3.0 einschließlich PPS beschleunigt der Ladecontroller der adaptiven Quelle FUSB3307 von ON Semiconductor die Entwicklung von Ladegeräten, die die Schnellladeanforderungen von Smartphones der nächsten Generation und anderen mobilen Geräten mit hochkapazitiven Akkus erfüllen können.

Integrierter Controller für USB-C-PD-3.0-konforme Schnellladegeräte

Der FUSB3307 von ON Semiconductor ist ein integrierter Stromquellen-Controller, der die Implementierung von USB-C PD 3.0 PPS ermöglicht, ohne dass ein externer Prozessor erforderlich ist. Neben Kabelerkennung, Last-Gatetreiber, mehreren Schutzfunktionen und Konstantspannungs- (CV) und Konstantstromregelung (CC) integriert das Gerät den kompletten PD 3.0 Device Policy Manager, die Policy Engine, das Protokoll und die PHY-Schichten in Hardware.

Die FUSB3307 ist so konzipiert, dass sie sowohl AC/DC- als auch DC/DC-Ladegeräte unterstützt und eine Vielzahl von Reaktionen auf eine PD-Stromquelle ermöglicht. Dadurch können Entwickler mit dem FUSB3307 und relativ wenigen zusätzlichen Geräten und Komponenten eine USB-C-PD-3.0-kompatible Versorgungsquelle realisieren.

Beim Anschluss an eine Senke erkennt der FUSB3307 automatisch die Fähigkeiten des Senkengeräts und des Anschlusskabels und zeigt seine Fähigkeiten gemäß den USB-C-Spezifikationen an. Wenn die Senke mit der Auswahl eines unterstützten PDOs antwortet, aktiviert der FUSB3307 den VBUS und Steuerkreise, um sicherzustellen, dass die angeforderten Ladespannungen und -ströme an die Senke geliefert werden.

Da der FUSB3307 eine vollständige Steuerungsfunktionalität integriert, bleiben die grundlegenden Funktionsprinzipien sowohl für das AC/DC- als auch für das DC/DC-Ladedesign konzeptionell gleich. Als Reaktion auf Befehle von der Senke verwendet der FUSB3307 in der Quelle seinen CATH-Ausgangspin, um ein rückgekoppeltes Steuersignal an die Leistungsstufe der Quelle zu treiben. Während des Ladevorgangs überwacht der FUSB3307 die Ladespannung über seinen VFB-Pin und den über einen Messwiderstand erfassten Ladestrom über seine Pins IS+/IS-. Diese überwachten Pegel fließen wiederum in interne Spannungs- und Stromschleifen-Fehlerschaltungen ein, die mit den Spannungs- (VFB) und Strompins (IFB) verbunden sind. Diese Signale dienen wiederum zur Steuerung des CATH-Pins für die CV- und CC-Steuerung. Andere Pins im 14-poligen SOIC-Gehäuse (Small Outline Integrated Circuit) des FUSB3307 unterstützen den Last-Gatetreiber, die USB-C-Steckerschnittstelle und die Schutzfunktionen.

Quellcontroller FUSB3307 vereinfacht das Design von Ladegeräten

Designs für jede Art von Ladegerät werden natürlich unterschiedliche Konfigurationen für den primären CATH-Ausgang, den VFB-Eingang und andere Pins verwenden. In einem AC/DC-Wandladegerät oder AC/DC-Adapter würde der FUSB3307 die Spannung und den Strom auf der Sekundärseite überwachen und eine Steuerrückmeldung an die Primärseite geben (Abbildung 1).

Abbildung 1: In einem AC/DC-Design für ein Wandladegerät oder einen Adapter reagiert der FUSB3307 auf Befehle von einem Senkengerät für unterschiedliche Ladespannungen, indem er den PWM-Regler über einen isolierenden Optokoppler steuert. (Bildquelle: ON Semiconductor)

In diesem Ladungsdesign würde der CATH-Ausgangspin des FUSB3307 typischerweise mit einer Optokoppler-Kathode auf der Sekundärseite verbunden werden, um ein rückgekoppeltes Steuersignal an einen primärseitigen pulsweitenmodulierten (PWM) Regler zu liefern, wie z.B. den NCP1568 von ON Semiconductor. Auf der Sekundärseite würden die Spannungs- und Stromsensoreingänge des FUSB3307 den Ausgang eines Synchrongleichrichter-Controllers, wie z. B. des NCP4308 von ON Semiconductor, überwachen.

In einem DC/DC-Ladegerätedesign, das z. B. in einer Automobilanwendung eingesetzt wird, steuert der FUSB3307 direkt den DC/DC-Controller. Hier wird das CATH-Rückkopplungssignal des FUSB3307 mit dem Kompensations-Pin (COMP) eines DC/DC-Reglers wie z. B. des NCV81599 von ON Semiconductor verbunden (Abbildung 2).

Abbildung 2: In einem DC/DC-Ladegerätedesign für ein Kfz-Ladegerät steuert der FUSB3307 direkt den Spannungsausgang eines DC/DC-Controllers und erhöht oder senkt den Ausgang entsprechend den Befehlen einer Senke, wie z. B. eines 5G-Telefons oder anderer mobiler Geräte. (Bildquelle: ON Semiconductor)

ON Semiconductor implementiert dieses spezifische DC/DC-Ladegerätedesign in seinem Evaluierungsboard FUSB3307MX-PPS-GEVB für den FUSB3307. Die Karte ist für den Betrieb mit einer einzigen DC-Versorgung ausgelegt und bietet eine vollständige Ladequelle gemäß USB PD 3.0 mit PPS, die 5 A Strom (max.) bei VBUS-Pegeln von den minimalen 3,3 Volt des Standards bis zu seinen maximalen 21 Volt liefert.

Mit dem Evaluierungsboard können Entwickler die Interaktion des FUSB3307 mit USB-PD-3.0-konformen Geräten sowie mit älteren USB-PD-2.0-Geräten untersuchen. Entwickler können sofort damit beginnen, den Schnellladeprozess zu erforschen, indem sie VBUS-Spannung und -Strom überwachen, die von der Karte an ein USB-C-PD-fähiges Gerät wie einen Laptop oder ein Smartphone geliefert werden.

Dieser Ansatz bietet einen besonderen Einblick in die Fähigkeit des FUSB3307, mit einem handelsüblichen USB-PD-3.0-5G-Telefon zu interagieren, sowie in die Nutzung des USB-PD-3.0-PPS-Protokolls durch das Telefon zur Optimierung der Ladespannung und des Stroms. In einer Demonstration dieser Fähigkeit ^[1] wird festgestellt, dass ein handelsübliches Samsung S20 Ultra 5G eine Reihe von Befehlen an das FUSB3307MX-PPS-GEVB-Evaluierungsboard ausgibt, um die Ladespannung und den Ladestrom in großen und kleinen Schritten zu ändern (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das Evaluierungsboard FUSB3307MX-PPS-GEVB von ON Semiconductor demonstriert die Fähigkeit des FUSB3307, auf die Befehle eines handelsüblichen 5G-Telefons zu reagieren, um dessen Ladespannung und -strom fein abzustimmen. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Nachdem die Platine und das Telefon in dieser Demonstration verbunden sind, wählt das 5G-Telefon das Basis-PDO (5,00 Volt und max. 5,00 A), wie in den ersten 10 Sekunden der Abbildung gezeigt. In dieser Phase beträgt die Ladespannung (VBUS) 5 Volt und das 5G-Telefon nimmt etwa 2 A Ladestrom (IBUS) auf. Das 5G-Telefon fordert dann ein erweitertes PDO an, das die Fähigkeit der Quelle deklariert, 8 Volt bei 4 A zu liefern. Der FUSB3307 kommt der Anforderung nach und die Änderung erfolgt sofort: VBUS springt wie angefordert auf 8 Volt und IBUS zeigt einen allmählichen Anstieg, während das 5G-Telefon den erhöhten IBUS-Strom rampt.

Nach diesem sprunghaften Anstieg des VBUS werden die mit PPS möglichen schrittweisen Steigerungen der Ladeleistung deutlich. Das 5G-Telefon fordert etwa alle 210 Millisekunden (ms) eine Erhöhung von VBUS um 40 Millivolt (mV) an, wobei VBUS allmählich auf noch höhere Werte ansteigt. Wenn der IBUS 4 A erreicht (gestrichelte grüne Linie in der Abbildung), verwendet der FUSB3307 das Standard-PPS-Protokoll, um eine Warnmeldung auszugeben, die das 5G-Telefon darüber informiert, dass die angeforderte Stromgrenze erreicht wurde. Das 5G-Telefon fordert weiterhin eine weitere Erhöhung von VBUS in 40-mV-Schritten an und erreicht schließlich 9,8 Volt. Im alltäglichen Gebrauch kann diese Art der adaptiven Quellenladefähigkeit die maximale Ladeeffizienz erreichen, die für das Schnellladen erforderlich ist, ohne dass das Senkengerät überhitzt oder anderweitig beeinträchtigt wird.

Mit dem Evaluierungsboard FUSB3307MX-PPS-GEVB von ON Semiconductor können Entwickler sofort die Verwendung von USB-C PD in bestehenden Geräten erkunden und das zugehörige Referenzdesign des Boards erweitern, um benutzerdefiniertes Schnellladen in Geräten zu implementieren, die mit USB PD 3.0 konform sind. Das Beste ist, dass die Implementierung keine Firmware-Entwicklung erfordert. Mit dem FUSB3307 nutzen Entwickler vertraute Stromversorgungstechniken, um Adapter zu bauen, die in der Lage sind, die Schnellladefähigkeiten von 5G-Telefonen der nächsten Generation und anderen kompatiblen Geräten voll auszunutzen.

Fazit

Während 5G-Telefone den Nutzern eine Fülle neuer Funktionen und Möglichkeiten bieten, stellen die Batterien mit größerer Kapazität, die zur Unterstützung dieser Geräte benötigt werden, auch eine Herausforderung für die Designer dar. Insbesondere müssen sie sicherstellen, dass Reiseadapter und Ladestationen ein schnelles Aufladen ohne Überhitzung des Telefons ermöglichen.

Mit seinen vollständig konformen USB-PD-3.0-PPS-Fähigkeiten - und ohne die Notwendigkeit einer Firmware-Entwicklung - bietet der adaptive Ladecontroller FUSB3307 von ON Semiconductor eine sofortige Designlösung. Durch die Verwendung dieses Controllers in Kombination mit bekannten Stromversorgungsgeräten und -komponenten können Entwickler schnell Adapter implementieren, die eine schnell wachsende Basis von USB-PD-3.0-fähigen 5G-Telefonen und anderen mobilen Geräten unterstützen.

Literatur

1. Konvergenz von 5G, Schnellladung und USB-C-programmierbare Stromversorgungen