Utiliser un contrôleur de charge USB-C pour implémenter rapidement la charge rapide sans micrologiciel

Avec la tendance en matière d'écrans plus grands, de performances accrues et de débit de données plus élevé dans les smartphones 5G, des batteries de plus grande capacité avec charge rapide deviennent nécessaires. Le défi pour les concepteurs est de dépasser les méthodes de charge conventionnelles qui introduisent des inefficacités pouvant entraîner une surchauffe aux niveaux de puissance requis pour répondre aux attentes de plus en plus exigeantes des consommateurs en matière de charge rapide.

L'introduction de la fonction d'alimentation programmable (PPS) dans la norme USB Type-C® (USB-C) Power Delivery (PD) 3.0 permet d'apporter une solution efficace, mais le développement micrologiciel requis peut retarder la livraison du produit.

Cet article décrit les problèmes liés à la charge rapide des téléphones 5G et la manière dont l'alimentation programmable USB-C PD 3.0 peut aider les concepteurs à répondre efficacement aux exigences de charge toujours plus rapide de batteries plus grandes. Il présente et montre ensuite comment les développeurs peuvent utiliser un contrôleur USB-C hautement intégré d'ON Semiconductor qui met en œuvre l'alimentation programmable USB-C PD 3.0 dans une machine à états finis (FSM). Cela élimine le besoin de développer un micrologiciel, accélérant ainsi l'implémentation de la charge rapide pour les chargeurs nouvelle génération.

Des smartphones plus puissants posent de nouveaux défis pour les adaptateurs de charge rapide

Les smartphones 5G devraient représenter plus de 50 % des livraisons totales de smartphones d'ici 2023, selon les analystes du marché. En utilisant ces téléphones pour bénéficier des services 5G, les utilisateurs constateront toutefois que la base existante de chargeurs et de bornes de recharge ne répondra pas aux exigences de charge rapide de cette nouvelle génération de smartphones.

Comme on le voit déjà dans les téléphones 5G tels que le Samsung S20 Ultra 5G, ces appareils sophistiqués offrent des écrans plus grands, ainsi qu'une capacité de traitement accrue et un débit de données bien plus important que celui des téléphones de la génération précédente. Pour s'adapter aux écrans plus grands et à la consommation d'énergie plus élevée, les téléphones 5G disponibles sont déjà équipés de batteries plus grandes. Par exemple, le Samsung S20 Ultra 5G est doté d'un écran de 6,9 pouces et d'une batterie de 5000 milliampères-heure (mAh) — soit une capacité supérieure de 25 % à celle du modèle précédent.

Si les consommateurs s'attendent à bénéficier d'une plus grande autonomie grâce à des batteries de plus grande capacité, ils veulent également que les temps de charge soient encore plus courts — et non 25 % plus longs. Pour les fabricants qui cherchent à répondre à la demande croissante de bornes de recharge dans les véhicules, les maisons et les bureaux, la nécessité de réduire le temps de charge des batteries de plus grande capacité devient un défi de taille face aux limites des batteries elles-mêmes.

Les fabricants de batteries lithium-ion (Li-ion) spécifient des seuils stricts pour le courant et la tension de charge. Une batterie lithium-ion classique de 1000 mAh est généralement répertoriée pour un taux de charge de 0,7 C, soit un courant de charge de 700 mA. Appliqué à une batterie de 5000 mAh complètement déchargée, un taux de charge de 0,7 C (ou un courant de charge de 3500 mA) nécessiterait environ 45 minutes pour atteindre un état de charge de 50 %.

Des technologies de cellules de batterie plus avancées peuvent supporter des taux de charge supérieurs à 1 C, mais le chargeur et le dispositif chargé doivent tous les deux accepter des niveaux de puissance considérablement plus élevés. Par exemple, une batterie de 5000 mAh chargée à un taux supérieur de 1,5 C n'aurait besoin que d'environ 22 minutes pour passer de 0 % à 50 %, mais le courant de charge de 7,5 ampères (A) pourrait solliciter les composants et générer une charge thermique excessive, même dans des systèmes de charge très efficaces. En fait, avec l'acceptation générale de l'USB-C en tant qu'interface standard de l'industrie pour l'alimentation et d'autres fonctionnalités, un chargeur compatible serait limité en termes de courant maximum qu'il pourrait délivrer sur un câble USB-C. Le courant maximum est de 5 A pour les câbles USB-C contenant un circuit intégré E-marker qui fournit des informations sur le câble aux dispositifs connectés. (Pour les câbles non-E-marker, le courant maximum est de 3 A).

Les fabricants de dispositifs mobiles peuvent bien sûr surmonter cette limitation en insérant une pompe à charge entre l'entrée d'alimentation et le circuit de charge batterie. Pour prendre en charge un système de charge de 7,5 A, par exemple, un adaptateur de voyage pourrait délivrer 10 volts (V) à 4 A, en s'appuyant sur une pompe à charge typique à division par deux pour fournir 5 V à environ 8 A au circuit de charge. Cette approche permet à un adaptateur de voyage d'augmenter la tension USB-C (VBUS) tout en maintenant un niveau de courant compatible USB-C.

Une puissance de charge accrue exige un contrôle plus efficace

La prise en charge de niveaux VBUS supérieurs à 5 V a permis l'utilisation de cette approche à faible courant et haute tension. La spécification USB PD 2.0 définit une série d'objets d'alimentation (PDO) fixes spécifiant des combinaisons de courants (3 A ou 5 A) et de niveaux de tension (5 V, 9 V, 15 V et 20 V) fixes.

Bien que les PDO fixes USB PD 2.0 permettent une puissance de charge supérieure, la définition de la tension et du courant de charge à des niveaux fixes trop élevés ou trop bas peut entraîner une charge inefficace, des charges thermiques inacceptables et des contraintes sur les composants. En pratique, les circuits de charge fonctionnent à un rendement optimal lorsque leur tension d'entrée (fournie par VBUS USB-C) est légèrement supérieure à leur tension de sortie (tension de la batterie). Cependant, comme la tension de la batterie varie continuellement en fonctionnement normal, il est difficile de maintenir ce point de rendement de charge optimal. À mesure que la batterie se décharge, la différence entre la tension de la batterie et la tension de charge USB-C (VBUS) s'accentue, ce qui réduit le rendement de charge. Inversement, à mesure que la batterie se charge, le circuit de charge devra réduire le courant de charge pour protéger la batterie.

Sans la possibilité de réduire directement les niveaux de charge fournis par l'adaptateur de voyage, la dissipation de puissance augmente, ce qui réduit le rendement et génère de la chaleur. En conséquence, le niveau de charge optimal change continuellement, souvent de façon incrémentielle, ce qui nécessite un niveau incrémentiel correspondant de contrôle de la tension et du courant de charge pour atteindre un rendement maximum.

Comment l'alimentation programmable USB-C PD 3.0 améliore le rendement

Conçue pour répondre au besoin croissant de charge plus efficace à une puissance de charge plus élevée, la capacité d'alimentation programmable USB-C PD 3.0 permet au dispositif en cours de charge (récepteur) de demander au chargeur (source) d'augmenter ou de diminuer la tension et le courant de charge par incréments mV et mA, comme annoncé dans les PDO augmentés. Grâce à cette capacité, un récepteur peut régler la tension et le courant de sa source pour optimiser le rendement de charge.

L'introduction de l'alimentation programmable change radicalement la manière dont le processus de charge fonctionne. Dans le passé, le chargeur source contrôlait et exécutait l'algorithme de charge. Avec l'alimentation programmable, le contrôle de l'algorithme de charge est transféré au récepteur, ce qui exige que la source exécute l'algorithme selon les instructions du récepteur.

Avec l'alimentation programmable, un smartphone ou un autre récepteur communique avec une source de charge pour optimiser la distribution d'énergie, parvenant à un « accord » de distribution d'énergie mutuellement acceptable via un protocole de négociation impliquant un bref échange comme suit :

1. La source découvre si le câble de connexion a une capacité de 5 A
2. La source annonce ses capacités de tension et de courant source décrites dans un maximum de sept PDO
3. Le récepteur demande l'un des PDO annoncés
4. La source accepte le PDO demandé
5. La source fournit l'énergie aux niveaux de tension et de courant convenus

Les appareils mobiles avancés, comme le téléphone Samsung 5G mentionné plus haut, utilisent cette capacité pour fournir une charge rapide à l'aide de chargeurs compatibles. Pour les fabricants qui conçoivent des adaptateurs de voyage à charge rapide et intègrent des bornes de recharge dans d'autres produits, la mise en œuvre de ce type de protocole de charge nécessite généralement le développement d'un micrologiciel de contrôleur capable d'exécuter le protocole et de faire fonctionner les dispositifs d'alimentation associés. Pour une norme bien établie comme l'alimentation programmable USB-C PD, cependant, une solution FSM offre une alternative efficace, en éliminant le développement micrologiciel susceptible de retarder la livraison du produit final. Grâce à une implémentation FSM de l'USB-C PD 3.0 incluant l'alimentation programmable, le contrôleur de charge à source adaptative FUSB3307 d'ON Semiconductor accélère le développement de chargeurs capables de répondre aux exigences de charge rapide des smartphones nouvelle génération et d'autres appareils mobiles dotés de batteries haute capacité.

Contrôleur intégré pour les chargeurs rapides conformes à la norme USB-C PD 3.0

Le FUSB3307 d'ON Semiconductor est un contrôleur de source d'alimentation intégré qui permet la mise en œuvre de l'alimentation programmable USB-C PD 3.0 sans avoir recours à un processeur externe. Outre la détection des câbles, le circuit d'attaque de grille de charge, les multiples fonctions de protection et la régulation de tension constante (CV) et courant constant (CC), le dispositif intègre dans le matériel l'ensemble des couches PD 3.0 Device Policy Manager, Policy Engine, Protocol et PHY.

Conçu pour prendre en charge les chargeurs CA/CC et CC/CC, le FUSB3307 peut fournir un ensemble complet de réponses appropriées à une source d'alimentation PD. Par conséquent, les concepteurs peuvent implémenter une source d'alimentation compatible USB-C PD 3.0 avec le FUSB3307 et relativement peu de dispositifs et de composants supplémentaires.

Lorsqu'il est connecté à un récepteur, le FUSB3307 détecte automatiquement les capacités du dispositif récepteur et du câble de connexion et annonce ses capacités conformément aux spécifications USB-C. Lorsque le récepteur répond en sélectionnant un PDO pris en charge, le FUSB3307 active VBUS et contrôle les circuits d'alimentation pour garantir que les niveaux de courant et de tension de charge demandés sont fournis au récepteur.

Comme le FUSB3307 intègre un ensemble complet de fonctionnalités de contrôle, les principes fondamentaux de fonctionnement restent conceptuellement les mêmes pour les conceptions de chargeurs CA/CC et CC/CC. En réponse aux commandes du récepteur, le FUSB3307 dans la source utilise sa broche de sortie CATH pour transmettre un signal de contrôle de rétroaction à l'étage de puissance de la source. Pendant les opérations de charge, le FUSB3307 surveille la tension de charge via sa broche VFB et le courant de charge détecté dans une résistance de détection via ses broches IS+/IS-. Ces niveaux surveillés alimentent à leur tour des circuits d'erreur de boucle de tension et de courant internes connectés aux broches de tension (VFB) et de courant (IFB). Ces signaux sont à leur tour utilisés pour contrôler la broche CATH pour le contrôle CV et CC. D'autres broches du boîtier SOIC à 14 broches du FUSB3307 prennent en charge le circuit d'attaque de grille de charge, l'interface du connecteur USB-C et les fonctions de protection.

Le contrôleur source FUSB3307 simplifie la conception des chargeurs

Les conceptions pour chaque type de chargeur utilisent bien sûr différentes configurations pour la sortie primaire CATH, l'entrée VFB et d'autres broches. Dans un chargeur mural CA/CC ou un adaptateur CA/CC, le FUSB3307 surveille la tension et le courant du côté secondaire et envoie un retour de commande au côté primaire (Figure 1).

Figure 1 : Dans une conception CA/CC pour un adaptateur ou un chargeur mural, le FUSB3307 répond aux commandes d'un dispositif récepteur pour différentes tensions de charge en contrôlant le contrôleur PWM via un photocoupleur isolant. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Dans cette conception de charge, la broche de sortie CATH du FUSB3307 est typiquement connectée à une cathode de photocoupleur du côté secondaire pour fournir un signal de contrôle de rétroaction à un contrôleur PWM (modulation de largeur d'impulsion) du côté primaire, tel que le NCP1568 d'ON Semiconductor. Du côté secondaire, les entrées de détection de tension et de courant du FUSB3307 surveillent la sortie d'un contrôleur de redresseur synchrone, tel que le NCP4308 d'ON Semiconductor.

Dans une conception de chargeur CC/CC utilisée dans une application automobile, par exemple, le FUSB3307 contrôle directement le contrôleur CC/CC. Ici, le signal de retour CATH du FUSB3307 est connecté à la broche de compensation (COMP) d'un contrôleur CC/CC tel que le NCV81599 d'ON Semiconductor (Figure 2).

Figure 2 : Dans une conception de chargeur CC/CC pour un chargeur automobile, le FUSB3307 contrôle directement la sortie en tension d'un contrôleur CC/CC, augmentant ou diminuant la sortie selon les commandes d'un récepteur, comme un téléphone 5G ou d'autres appareils mobiles. (Source de l'image : ON Semiconductor)

ON Semiconductor implémente cette conception de chargeur CC/CC spécifique dans sa carte d'évaluation FUSB3307MX-PPS-GEVB pour le FUSB3307. Conçue pour fonctionner à partir d'une seule alimentation CC, la carte fournit une source de charge complète conforme à USB PD 3.0 avec alimentation programmable, délivrant un courant de 5 A (max.) à des niveaux VBUS s'étendant des 3,3 V minimum de la norme à ses 21 V maximum.

La carte d'évaluation permet aux développeurs d'explorer l'interaction du FUSB3307 avec les dispositifs conformes à USB PD 3.0, ainsi qu'avec les dispositifs USB PD 2.0 hérités. Les développeurs peuvent immédiatement commencer à explorer le processus de charge rapide en surveillant la tension VBUS et le courant délivré par la carte à un dispositif compatible USB-C PD, tel qu'un ordinateur portable ou un smartphone.

Cette approche offre un aperçu particulier de la capacité du FUSB3307 à interagir avec un téléphone USB PD 3.0 5G standard, ainsi que de l'utilisation par le téléphone du protocole PPS USB PD 3.0 pour optimiser sa tension et son courant de charge. Dans une démonstration de cette capacité ^[1], on constate qu'un Samsung S20 Ultra 5G disponible dans le commerce envoie une série de commandes à la carte d'évaluation FUSB3307MX-PPS-GEVB pour modifier la tension et le courant de charge par petits et grands incréments (Figure 3).

Figure 3 : La carte d'évaluation FUSB3307MX-PPS-GEVB d'ON Semiconductor démontre la capacité du FUSB3307 à répondre aux commandes d'un téléphone 5G standard pour régler avec précision sa tension et son courant de charge. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Après la connexion de la carte et du téléphone dans cette démonstration, le téléphone 5G sélectionne le PDO de base (5,00 V et 5,00 A max.) comme illustré dans les 10 premières secondes de la Figure. Dans cette phase, la tension de charge (VBUS) est de 5 V et le téléphone 5G absorbe environ 2 A de courant de charge (IBUS). Le téléphone 5G demande alors un PDO augmenté qui déclare la capacité de la source à fournir 8 V à 4 A. Le FUSB3307 se conforme à la demande et le changement est immédiat : VBUS passe à 8 V comme demandé et IBUS montre une augmentation progressive à mesure que le téléphone 5G accroît le courant IBUS augmenté.

Après cette forte augmentation de VBUS, les augmentations incrémentales de la puissance de charge possibles avec l'alimentation programmable deviennent évidentes. Le téléphone 5G demande une augmentation de 40 millivolts (mV) de VBUS toutes les 210 millisecondes (ms) environ, ce qui porte progressivement VBUS à des niveaux encore plus élevés. Quand IBUS atteint 4 A (ligne verte en pointillés sur la Figure), le FUSB3307 utilise le protocole PPS standard pour émettre un message d'alerte notifiant au téléphone 5G que la limite de courant demandée a été atteinte. Le téléphone 5G continue d'émettre des demandes d'augmentation de VBUS par incréments de 40 mV, jusqu'à atteindre 9,8 V. Lors d'une utilisation quotidienne, ce type de capacité de charge à source adaptative permet d'atteindre le rendement de charge maximum requis pour la charge rapide sans causer de surchauffe ni autrement compromettre le dispositif récepteur.

En utilisant la carte d'évaluation FUSB3307MX-PPS-GEVB d'ON Semiconductor, les développeurs peuvent immédiatement explorer l'utilisation d'USB-C PD dans les dispositifs existants et étendre la conception de référence associée à la carte pour implémenter la charge rapide personnalisée dans des unités conformes à USB PD 3.0. Mieux encore, la mise en œuvre ne nécessite aucun développement micrologiciel. Avec le FUSB3307, les développeurs s'appuient sur des techniques d'alimentation familières pour construire des adaptateurs capables de tirer pleinement parti des capacités de charge rapide des téléphones 5G nouvelle génération et d'autres appareils compatibles.

Conclusion

Si les téléphones 5G apportent une multitude de nouvelles fonctionnalités et capacités aux utilisateurs, les batteries à plus haute capacité requises pour prendre en charge ces appareils représentent également un défi pour les concepteurs. Ils doivent notamment s'assurer que les adaptateurs de voyage et les bornes de recharge permettent une recharge rapide sans surchauffe du téléphone.

Avec ses capacités d'alimentation programmable USB PD 3.0 entièrement conformes — et ne nécessitant pas de développement micrologiciel — le contrôleur de charge adaptative FUSB3307 d'ON Semiconductor offre une solution de conception immédiate. En utilisant ce contrôleur en combinaison avec des dispositifs et des composants d'alimentation familiers, les développeurs peuvent rapidement mettre en œuvre des adaptateurs capables de prendre en charge une base en croissance rapide de téléphones 5G et d'autres appareils mobiles compatibles USB PD 3.0.

Référence

1. Convergence of 5G, Fast Charging and USB-C Programmable Power Supplies