Utilizzare un controller di ricarica USB-C per implementare rapidamente la ricarica veloce senza firmware

La tendenza verso display più grandi, maggiori prestazioni e un più alto throughput di dati negli smartphone 5G determina la necessità di una maggiore capacità della batteria con funzioni di ricarica veloce. La sfida per i progettisti è quella di andare oltre i metodi di ricarica convenzionali che introducono inefficienze e possono portare al surriscaldamento per i livelli di potenza richiesti e soddisfare le aspettative sempre più esigenti dei consumatori in termini di ricarica rapida.

L'introduzione della capacità di alimentazione programmabile (PPS) in USB Type-C® (USB-C) Power Delivery (PD) 3.0 aiuta a fornire una soluzione efficace, ma lo sviluppo del firmware richiesto può ancora ritardare la consegna del prodotto finale.

Questo articolo descrive i problemi associati alla ricarica veloce dei cellulari 5G e come USB-C PD 3.0 PPS può aiutare i progettisti a soddisfare in modo efficiente i requisiti di una ricarica sempre più veloce da batterie più grandi. Presenta poi e mostra come gli sviluppatori possono utilizzare un controller USB-C altamente integrato di ON Semiconductor che implementa USB-C PD 3.0 PPS in una macchina a stati finiti (FSM). Questo elimina la necessità di sviluppo del firmware, accelerando così l'implementazione della ricarica veloce per i caricatori di prossima generazione.

Gli smartphone più potenti comportano nuove sfide per gli adattatori di ricarica veloce

Gli smartphone 5G dovrebbero rappresentare oltre il 50% delle spedizioni totali di smartphone entro il 2023, secondo gli analisti di mercato. Nell'utilizzare questi cellulari per approfittare dei servizi 5G, tuttavia, gli utenti troveranno che l'attuale base di caricabatterie e stazioni di ricarica non soddisferà appieno i requisiti di ricarica veloce di questa nuova generazione di smartphone.

Come già visto nei cellulari 5G come il Samsung S20 Ultra 5G, questi dispositivi sofisticati offrono display più grandi, così come una maggiore capacità di elaborazione e un throughput di dati molto maggiore rispetto a quanto disponibile con i cellulari della generazione precedente. Per abbinare i loro display più grandi e il corrispondente maggiore consumo di energia, i cellulari 5G disponibili sono già dotati di batterie più grandi. Per esempio, il Samsung S20 Ultra 5G ha un display da 6,9 pollici e incorpora una batteria da 5.000 mAh - una capacità del 25% maggiore rispetto al modello precedente.

Mentre i consumatori si aspettano una maggiore durata nelle batterie di maggiore capacità, si aspettano anche che i tempi di ricarica si comprimano ancor più, non che aumentino anche del 25%. Per i produttori che cercano di soddisfare la crescente domanda di stazioni di ricarica nei veicoli, nelle case e negli uffici, la necessità di ridurre il tempo di ricarica per le batterie di maggiore capacità diventa una sfida significativa di fronte alle limitazioni delle batterie stesse.

I produttori di batterie agli ioni di litio (Li-ion) specificano soglie rigorose per la corrente e la tensione di carica. Una batteria agli ioni di litio convenzionale da 1.000 mAh è in genere classificata per una velocità di carica di 0,7 C, cioè 700 mA di corrente di carica. Applicata a una batteria da 5.000 mAh completamente esaurita, una velocità di carica di 0,7 C (o 3.500 mA di corrente di carica) richiederebbe circa 45 minuti solo per raggiungere uno stato di carica del 50%.

Le tecnologie più avanzate delle celle delle batterie possono supportare velocità di carica superiori a 1 C, ma sia il caricatore sia il dispositivo caricato devono adattarsi a livelli di potenza molto più elevati. Ad esempio, una batteria da 5.000 mAh caricata a una velocità più alta di 1,5 C avrebbe bisogno solo di circa 22 minuti per caricarsi dallo 0% al 50%, ma la corrente di carica di 7,5 A potrebbe stressare i componenti e generare un carico termico eccessivo anche in sistemi di carica altamente efficienti. Infatti, con l'ampia accettazione di USB-C come interfaccia standard del settore per l'alimentazione e altre funzionalità, un caricatore compatibile sarebbe limitato nella corrente massima che potrebbe fornire attraverso un cavo USB-C. La corrente massima è di 5 A per i cavi USB-C che contengono un CI emarker che fornisce informazioni sul cavo ai dispositivi collegati. (Per i cavi non segnalatori, la corrente massima è di 3 A.)

I produttori di dispositivi mobili possono ovviamente superare questa limitazione inserendo una pompa di carica tra l'ingresso di alimentazione e il circuito di carica della batteria. Per supportare un sistema di ricarica a 7,5 A, per esempio, l'adattatore da viaggio potrebbe fornire 10 V a 4 A, contando su una tipica pompa di carica con divisore per due per produrre 5 V a circa 8 A al circuito di ricarica. Questo approccio permette a un adattatore da viaggio di aumentare la tensione USB-C (VBUS) mantenendo un livello di corrente compatibile con USB-C.

L'aumento della potenza di carica richiede un controllo più efficace

Il supporto per i livelli VBUS superiori a 5 V ha permesso l'uso di questo approccio ad alta tensione e bassa corrente. La specifica USB PD 2.0 definisce una serie di oggetti di alimentazione fissi (PDO) che specificano combinazioni di livelli fissi di tensione (5, 9, 15 e 20 V) e di corrente (3 o 5 A).

Anche se i PDO fissi di USB PD 2.0 permettono una maggiore potenza di carica, l'impostazione della tensione e della corrente di carica a livelli fissi troppo alti o troppo bassi può comportare una carica inefficiente, carichi termici inaccettabili e stress ai componenti. In pratica, i circuiti di ricarica funzionano con un'efficienza ottimale quando la loro tensione di ingresso (fornita dal VBUS USB-C) è leggermente superiore alla loro tensione di uscita (tensione della batteria). Poiché la tensione della batteria cambia continuamente durante il normale funzionamento, mantenere questo punto di efficienza di carica ottimale è difficile. Man mano che la batteria si scarica, la differenza tra la tensione della batteria e la tensione di carica USB-C (VBUS) aumenterà, abbassando l'efficienza della carica. Per contro, quando la batteria si carica, il circuito di carica dovrà ridurre la corrente di carica per proteggere la batteria.

Senza la possibilità di ridurre direttamente i livelli di carica forniti dall'adattatore da viaggio, la dissipazione di energia aumenterà, riducendo l'efficienza e generando calore. Di conseguenza, il livello di carica ottimale cambia continuamente, spesso in quantità incrementali, richiedendo un corrispondente livello incrementale di controllo della tensione e della corrente di carica per raggiungere la massima efficienza.

Come usare USB-C PD 3.0 PPS per migliorare l'efficienza

Progettato per rispondere alla crescente necessità di una carica più efficiente a una potenza di carica più elevata, la funzionalità USB-C PD 3.0 PPS permette al dispositivo in carica (sink) di richiedere al caricatore (sorgente) di aumentare o diminuire la tensione e la corrente di carica in incrementi di mV e mA annunciati in PDO aumentati. Usando questa capacità, un sink può regolare la sua tensione e corrente di sorgente per ottimizzare l'efficienza di carica.

L'introduzione del PPS cambia drasticamente il modo in cui funziona il processo di carica. In passato, il caricatore sorgente controllava ed eseguiva l'algoritmo di carica. Con PPS, il controllo dell'algoritmo di carica si sposta al sink, richiedendo che la sorgente esegua l'algoritmo nel modo indicato dal sink.

Con PPS, uno smartphone o un altro sink comunica con una fonte di ricarica per ottimizzare l'erogazione di energia, arrivando a un "contratto" PD reciprocamente accettabile attraverso un protocollo di negoziazione che coinvolge un breve scambio come segue:

1. La sorgente scopre se il cavo di collegamento è capace di sopportare 5 A
2. La sorgente annuncia le sue capacità di tensione e corrente descritte in ben sette PDO
3. Il sink richiede uno dei PDO annunciati
4. La sorgente accetta il PDO richiesto
5. La sorgente fornisce energia ai livelli di tensione e di corrente concordati

I dispositivi mobili avanzati come il cellulare Samsung 5G menzionato prima usano questa capacità per fornire una ricarica veloce attraverso caricatori compatibili. Per i produttori che progettano adattatori da viaggio a ricarica rapida e costruiscono stazioni di ricarica in altri prodotti, l'implementazione di questo tipo di protocollo di ricarica richiederebbe tipicamente lo sviluppo di un firmware di controllo in grado di eseguire il protocollo e operare i dispositivi di alimentazione associati. Per uno standard consolidato come USB-C PD PPS, tuttavia, una soluzione FSM offre un'alternativa efficace, eliminando la necessità di sviluppo del firmware che può ritardare la consegna del prodotto finale. Utilizzando un'implementazione FSM di USB-C PD 3.0 che include PPS, il controller di ricarica adattativo FUSB3307 di ON Semiconductor accelera lo sviluppo di caricatori in grado di soddisfare i requisiti di ricarica veloce degli smartphone di prossima generazione e di altri dispositivi mobili con batterie ad alta capacità.

Controller integrato per caricatori veloci conformi a USB-C PD 3.0

FUSB3307 di ON Semiconductor è un controller di alimentazione integrato che permette l'implementazione di USB-C PD 3.0 PPS senza richiedere un processore esterno. Insieme al rilevamento dei cavi, al gate driver di carico, a molteplici funzioni di protezione e alla regolazione della tensione costante (CV) e della corrente costante (CC), il dispositivo integra nell'hardware il completo PD 3.0 Device Policy Manager, Policy Engine, il protocollo e gli strati PHY.

Progettato per supportare entrambi i caricatori c.a./c.c. e c.c./c.c., FUSB3307 può fornire una serie completa di risposte appropriate a una fonte di alimentazione PD. Di conseguenza, i progettisti possono implementare una fonte di alimentazione compatibile con USB-C PD 3.0 con FUSB3307 e un numero esiguo di dispositivi e componenti aggiuntivi.

Quando è collegato a un sink, FUSB3307 rileva automaticamente le capacità del dispositivo sink e del cavo di collegamento e annuncia le sue capacità in conformità alle specifiche USB-C. Quando il sink risponde con la selezione di un PDO supportato, FUSB3307 abilita VBUS e controlla i circuiti di alimentazione per assicurare che la tensione di carica richiesta e i livelli di corrente siano forniti al sink.

Poiché FUSB3307 integra una serie completa di funzionalità di controllo, i principi fondamentali di funzionamento rimangono concettualmente gli stessi sia per la progettazione di caricatori c.a./c.c. che c.c./c.c. In risposta ai comandi dal sink, FUSB3307 nella sorgente usa il pin di uscita CATH per pilotare un segnale di controllo di retroazione allo stadio di potenza della sorgente. Durante le operazioni di carica, FUSB3307 controlla la tensione di carica usando il pin VFB e la corrente di carica rilevata attraverso un resistore di rilevamento usando i pin IS+/IS-. Questi livelli monitorati a loro volta alimentano i circuiti interni di errore dell'anello di tensione e corrente legati ai pin di tensione (VFB) e corrente (IFB). Questi segnali a loro volta lavorano per controllare il pin CATH per il controllo CV e CC. Altri pin nel contenitore SOIC (circuito integrato a profilo sottile) a 14 pin di FUSB3307 supportano il gate driver di carico, l'interfaccia del connettore USB-C e le funzioni di protezione.

Il controller di fonte FUSB3307 semplifica la progettazione del caricatore

I progetti per ogni tipo di caricabatterie useranno naturalmente diverse configurazioni per l'uscita primaria CATH, l'ingresso VFB e altri pin. In un caricatore c.a./c.c. da parete o un adattatore c.a./c.c., FUSB3307 monitorerebbe la tensione e la corrente sul lato secondario e guiderebbe la retroazione di controllo sul lato primario (Figura 1).

Figura 1: In un progetto c.a./c.c. per un caricatore da parete o un adattatore, FUSB3307 risponde ai comandi da un dispositivo sink per diverse tensioni di carica controllando il controller PWM attraverso un optoaccoppiatore di isolamento. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

In questo progetto di carica, il pin di uscita CATH di FUSB3307 sarebbe tipicamente collegato al catodo di un optoaccoppiatore sul lato secondario per fornire un segnale di controllo di retroazione a un controller PWM (modulazione della larghezza di impulso) sul lato primario, come NCP1568 di ON Semiconductor. Sul lato secondario, gli ingressi di rilevamento della tensione e della corrente di FUSB3307 controllerebbero l'uscita di un controller di raddrizzatore sincrono, come NCP4308 di ON Semiconductor.

In un progetto di caricatore c.c./c.c. utilizzato in un'applicazione automotive, per esempio, FUSB3307 controlla direttamente il controller c.c./c.c. Qui, il segnale di retroazione CATH di FUSB3307 è collegato al pin di compensazione (COMP) di un controller c.c./c.c. come NCV81599 di ON Semiconductor (Figura 2).

Figura 2: In un progetto di caricatore c.c./c.c. per un caricatore automotive, FUSB3307 controlla direttamente l'uscita di tensione di un controller c.c./c.c., aumentando o diminuendo l'uscita come comandato da un sink, come un cellulare 5G o altri dispositivi mobili. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

ON Semiconductor implementa questo specifico progetto di caricatore c.c./c.c. nella scheda di valutazione FUSB3307MX-PPS-GEVB per FUSB3307. Progettata per funzionare da una singola alimentazione c.c., la scheda fornisce una fonte di ricarica completa conforme a USB PD 3.0 con PPS, fornendo 5 A di corrente (max) a livelli VBUS dal minimo di 3,3 V standard al massimo di 21 V.

La scheda di valutazione permette agli sviluppatori di esplorare l'interazione di FUSB3307 con i dispositivi compatibili con USB PD 3.0, così come i dispositivi legacy USB PD 2.0. Gli sviluppatori possono immediatamente iniziare a esplorare il processo di ricarica veloce monitorando la tensione VBUS e la corrente erogata dalla scheda a un dispositivo compatibile con USB-C PD, come un laptop o uno smartphone.

Questo approccio offre una particolare comprensione della capacità di FUSB3307 di interagire con un cellulare USB PD 3.0 5G di serie, così come l'uso da parte del cellulare del protocollo USB PD 3.0 PPS per ottimizzare la tensione e la corrente di carica. In una dimostrazione di questa capacità ^[1], un Samsung S20 Ultra 5G di serie è in grado di emettere una serie di comandi alla scheda di valutazione FUSB3307MX-PPS-GEVB per modificare la tensione e la corrente di carica in incrementi grandi e piccoli (Figura 3).

Figura 3: La scheda di valutazione FUSB3307MX-PPS-GEVB di ON Semiconductor dimostra la capacità di FUSB3307 di rispondere ai comandi di un cellulare 5G di serie per mettere a punto la sua tensione e corrente di carica. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Dopo che la scheda e il cellulare sono collegati in questa scheda, il cellulare 5G seleziona il PDO di base (5,00 V e max 5,00 A) come mostrato nei primi 10 secondi della figura. In questa fase, la tensione di carica (VBUS) è di 5 V e il cellulare 5G assorbe circa 2 A di corrente di carica (IBUS). Il cellulare 5G richiede quindi un PDO aumentato che dichiara la capacità della sorgente di fornire 8 V a 4 A. FUSB3307 soddisfa la richiesta e il cambiamento è immediato: VBUS passa a 8 V come richiesto e IBUS mostra un aumento graduale man mano che il cellulare 5G aumenta la corrente IBUS.

Dopo questo brusco salto in VBUS, gli aumenti incrementali della potenza di carica possibili con PPS diventano evidenti. Il cellulare 5G richiede un aumento di 40 mV in VBUS ogni 210 ms circa, portando gradualmente VBUS a livelli ancora più alti. Quando IBUS raggiunge i 4 A (linea verde tratteggiata nella figura), FUSB3307 utilizza il protocollo standard PPS per emettere un messaggio di avviso che notifica al cellulare 5G che il limite di corrente richiesto è stato raggiunto. Il cellulare 5G continua ad emettere richieste di ulteriori aumenti di VBUS in incrementi di 40 mV, raggiungendo infine i 9,8 V. Nell'uso quotidiano, questo tipo di capacità di ricarica adattativa della fonte può raggiungere la massima efficienza di ricarica richiesta per la ricarica veloce senza surriscaldare o altrimenti compromettere il dispositivo sink.

Utilizzando la scheda di valutazione FUSB3307MX-PPS-GEVB di ON Semiconductor, gli sviluppatori possono immediatamente esplorare l'uso di USB-C PD nei dispositivi esistenti ed estendere il progetto di riferimento associato alla scheda per implementare la ricarica veloce personalizzata in unità conformi a USB PD 3.0. L'aspetto migliore è che l'implementazione non richiede lo sviluppo firmware. Con FUSB3307, gli sviluppatori utilizzano tecniche di alimentazione familiari per costruire adattatori in grado di sfruttare appieno le capacità di ricarica veloce dei cellulari 5G di prossima generazione e di altri dispositivi compatibili.

Conclusione

Mentre i cellulari 5G offrono una moltitudine di nuove caratteristiche e capacità agli utenti, le batterie di maggiore capacità necessarie per supportare questi dispositivi pongono grosse sfide ai progettisti. In particolare, devono garantire che gli adattatori da viaggio e le stazioni di ricarica offrano una ricarica veloce senza surriscaldare il cellulare.

Con le sue capacità USB PD 3.0 PPS completamente conformi - e senza bisogno di sviluppare il firmware - il controller di carica adattiva FUSB3307 di ON Semiconductor è una soluzione di progettazione immediata. Utilizzando questo controller in combinazione con dispositivi e componenti di alimentazione familiari, gli sviluppatori possono implementare rapidamente adattatori in grado di supportare una base in rapida espansione di cellulari 5G e altri dispositivi mobili compatibili con USB PD 3.0.

Riferimento

1. Convergenza di 5G, ricarica veloce e alimentatori programmabili USB-C