Компоненти за USB токозахранване

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 8/2018 • 29.11.2018

Компоненти за USB токозахранване
Компоненти за USB токозахранване

Стефан Куцаров

При създаването на интерфейса USB в него е заложена възможността да осигурява постояннотоково захранване на устройствата, с които обменя данни. С всяка нова негова разновидност доставяната мощност нараства и това позволява свързване на все повече компоненти без собствено захранване.

От друга страна рязкото увеличаване на количеството и видовете устройства с акумулатори наложи създаването на разновидности на USB за зареждането им. Необходимото за всичко това увеличаване на мощността не можеше да става при запазване на напрежението 5 V от първите разновидности на интерфейса поради недопустимото нарастване на доставяния ток (например 100 W при 5 V означава 20 А) – засега максималната му стойност практически не надхвърля 5 А.

На фиг. 1 са дадени максималните мощности и токове от съвременните USB и примери за захранваните от тях устройства (в края на август 2018 г. бе съобщено за създаването на интегрална схема, осигуряваща мощност 2x100 W). С изключение на първите две разновидности на интерфейса, ползването на останалите изисква специфични компоненти, на първо място интегрални схеми (ИС), същността на които е предмет на статията.

Мощен USB 2.0
Наименованието му (Powered USB, Powered USB 2.0, USB PlusPower) се дължи на доставяната от него по-голяма мощност, като UUSB може да е 5, 12 и 24 V при IUSB до 6 А.

Това се постига чрез допълнителни блокове в осигуряващите интерфейса компютри и хъбове и ползване на специални куплунги с две групи изводи. Едната е както на USB 2.0 и може да бъде ползвана самостоятелно, когато устройствата осигуряват връзка както с обикновен USB. Над нея е втората група също с 4 извода (по два за положителния и отрицателния полюс на UUSB) за увеличените мощности.

Към групата е прибавен механичен ограничител за определяне с кое от трите напрежения работят свързваните устройства. Съществуват различни куплунги за IUSB с максимални стойности 1,5 А, 3 А и 6 А, както и 8-жилен свързващ кабел. Тези видоизменения спрямо USB 2.0 и новите разновидности на интерфейса са ограничения в ползването на мощния USB 2.0, който реално е морално остарял.

USB Type-C
Терминът USB Type-C се отнася за куплунги и кабел, чиято последна разновидност USB Type-C Cable and Connector Specification, Release 3.1 е публикувана на 14.07.2017 г., като тук ще бъдат отбелязани само особеностите, свързани с осигуряване на постояннотоковото захранване.

В табл. 1 са дадени напреженията и максималните токове, предлагани от реално ползваните разновидности на USB, като последните две колони са за разгледаните по-нататък в статията.

 

 

Интерфейсът ползва 3 вида куплунги според предназначението им. Първият е DFP (от Downstream Facing Port) Type-C Receptacle за осигуряване захранването на хъбове и периферни устройства, монтира се на компютри и хъбове и представлява източник (Source, Provider).

Вторият вид UFP (от Upstream Facing Port) с друго означение Type-C Plug е за захранваните периферни устройства и хъбове, представляващи консуматори (Sink, Consumer). Захранващото напрежение VBus е положително спрямо масата GND на куплунгите и се установява на техните изводи, които имат същото означение.

Определянето на вида на куплунга става чрез неговите изводи СС1 и СС2 (от Configuration Channel) – в DFP те се свързват през резистори Rp към VBus, а в UFP двата извода се замасяват през резистори Rd със съпротивление 5,1 kW ±5%.

Чрез съпротивленията на Rp се задава максималният осигуряван от DFP ток в съответствие с табл.2 – например за 3А на Type-C при негово VBus между 4,75 и 5,5 V трябва Rp=10 kW. Последните две колони на таблицата показват възможността вместо чрез Rр изводи СС1 и СС2 да се свържат към VBus през генератори на ток Ip.

Важна особеност е, че консуматорът разпознава максималния ток, който източникът може да осигури, по напрежението върху Rd, получено от делителя Rp-Rd или като IdRd. Нещо повече, в процеса на работата си източникът може да превключва Rp и променя максималния ток, който осигурява. Класическото свързване на две устройства с USB е едното да е източник с DFP и другото консуматор с UFP, което е показано на фиг. 2а. Вижда се делителят Rp-Rd на СС1 и подаваното чрез СС2 напрежение VBus на извод VCONN от UFP.

Третият вид куплунг е DRP (от Dual Role Port) с двойно предназначение, който в процеса на работа на устройствата може да бъде превключван като източник и консуматор. Идеята за реализацията му е той да съдържа резисторите Rp и Rd и начинът на свързването им към СС1 и СС2 да се определя от електронни ключове, което се вижда от фиг. 2б – при свързани Rp той е източник и става консуматор при свързани Rd.

Тази нова за интерфейсите USB възможност означава, че посоката на предаване на енергия между устройства А и В с DRP може да се сменя по време на работата им – при определени условия А е източник и В е консуматор и при други А става консуматор и В се превръща в източник.

Контролери за управление. Задължителни са за устройства с USB Type-C и една от функциите им е разпознаване дали те са източник или консуматор. Работещите само като източник устройства съдържат DFP Controller (например даденият на ред 4 в табл. 3), а тези само като консуматор са с UFP Controller, какъвто е HD3SS3220 на Texas Instruments.

Приложенията на двата типа са сравнително ограничени за сметка на по-масовите DRP Controller, които определят режима на работа чрез логическото ниво на съответния управляващ вход.

Такива са дадените на редове 1-3 в табл. 3, като тези на редове 2 и 3 позволяват задаване на режима чрез интерфейса I2C. С VDD и IDD в таблицата са отразени съответно работното напрежение и консумираният от него ток в работен режим, IEN е токът на включен контролер без доставяне на енергия на консуматора, Ist е токът в режим "очакване" (Standby), tCON е времето за установяване на напрежението на консуматора след подаване на съответните логически нива на СС1 и СС2 и tDISC е това за изключване на захранването.

Схемите на свързване на контролерите фигурират в документацията им, а на фиг. 2в е показан пример за дадения на ред 4. Виждат се връзките на СС1 и СС2 с куплунга, а при свързване на външно устройство на изход ID се получава необходимото логическо ниво за включване на блока VBUS Switch, подаване на напрежението 5 V на изхода му VBUS и чрез куплунга на устройството.

USB Power Delivery
Доставяната мощност чрез USB Type-C е до 15 W, а след 2010 г. бързо започват да нарастват устройствата, за които тя се оказва недостатъчна. Това е причината за създаването на интерфейса USB Power Delivery (USB PD), чиято първа разновидност (Revision 1.0) е публикувана на 05.07.2012 г. а работата по разширяване на възможностите му продължава – най-новата (Revision 3.0, Version 1.2) е от 21.07.2018 г. Реално приложение имат USB PD 2.0 и USB PD 3.0, които ползват куплунга Type-C.

Освен двупосочното обменяне на мощност до 100 W важна особеност на интерфейса е оптимизираното токозахранване, при което източникът осигурява на всеки от изходите си само необходимата максимална мощност за свързания към него консуматор с отчитане на промените й в процеса на работа.

Тази гъвкавост и динамика е особено съществена при обмена на енергия между компютър и хъб, както и при захранването на маломощни прибори, които “съобщават” на източника необходимата за работата им електрическа мощност.

Необходимите за работата на USB PD данни се обменят между свързаните устройства по един от проводниците СС1 или СС2 под формата на импулси чрез ползване на Biphase Mark Coding (BMC) със скорост около 300 kbps, като за целта в ИС на интерфейса е вграден приемо-предавател (BMC Tx/Rx).

Основна характеристика на източниците и консуматорите е техният енергиен клас показващ максималната мощност, която съответно могат да доставят или от която се нуждаят за работата си. На този термин до разновидността на интерфейса USB 2.0, Version 1.1 съответства английският Power Profiles, а в USB PD 2.0, Version 1.2 от 25.03.2016 той е сменен с Power Rules и е запазен в USB PD 3.0.

Енергийните класове според тези последни разновидности са следните: клас 1 осигурява напрежение VBUS=5 V, мощност от 0,5 до 15 W включително и съответно максимален ток между 100 mA и 3 А; клас 2 е с VBUS=9 V, мощност от 15 до 27 W вкл. и ток между 1,67 и 3 А; клас 3 е с VBUS=15 V, мощност от 27 до 45 W вкл. и ток между 1,8 и 3 А; клас 4 има VBUS=20 V, мощност 45 – 100 W и максимален ток между 2,25 и 5 А.

Параметрите на класовете се обобщени на фиг. 3, като по абсцисата с Rp1 и Rp2 са означени несъществуващите в USB PD интерфейси USB BC1.2 с 5V/1,5А и мощност 7,5 W (вж. следващия раздел) и USB Type-C 1.2 (5V/3A и 15 W). При работата си като източници реалните устройства могат да осигуряват различни напрежения и токове от дадените за съответния клас с ограничение да не се надхвърлят 20 V и максималната му мощност - например устройство клас 2 може да има изход 5V/3А или 15V/1А. В който и да е клас не се допуска ток над 5 А.

Съществена особеност е възможността източник да има изходи за консуматори от различни класове, но при ползването му трябва да се внимава към тях да не се свързва консуматор от по-висок клас. Пример за хъб с 3 изхода и захранване от мрежов адаптор WA1 е даден на фиг. 4. Консуматорът PD2 е от клас 3 и не може да се захранва от куплунг Р2, което налага използването на адаптора WA2. Последният консуматор PD3 е от клас 3 и захранването му е от куплунг Р4, който е от клас 4.

Съществуват два основни начина за установяване работата на дадено устройство в определен енергиен клас, първият от които ползва мощен мултиплексор и ключови стабилизатори с фиксирано напрежение. В примера на фиг. 5а едно от напреженията 9, 15 или 20 V се избира чрез отпушване на съответния външен MOS транзистор и през един от мощните ключове на контролера се подава на VBUS, докато напрежението 5 V е захранващото на контролера и се подава чрез втори ключ.

Вторият начин ползва един ключов стабилизатор с програмируемо изходно напрежение (обикновено 5 – 20 V) за установяване на VBUS. Пример е показан на фиг. 5б, която е споменатата в началото реализация за захранване на два консуматора по 100 W чрез контролера от ред 12 от табл. 4.

Контролери. Част от използваните за интерфейса контролери са за ключови стабилизатори с допълнителна възможност за работа с него (SMPS Controller to support USB PD). Предназначените специално за USB PD 2.0 и USB PD 3.0, понякога означавани като Power Delivery Controller (PDI), ползват куплунгите на USB Type-C и практически осигуряват работа и с двата интерфейса.

Освен куплунги Type-C от двете страни на кабела съществуват и кабели с куплунг тип А от едната страна. Кабелите само с Type-C имат електронна маркировка (Electronically Marked Cable Assembly) EMCA, осъществявана чрез монтиран в един от куплунгите или в двата контролер, захранван от VCONN на интерфейса. Тя е предназначена да дава сведения за кабела (например неговата дължина и куплунгите в краищата му) и производителя - пример за такава ИС е EZ-PD CCG2 на Cypress Semiconductor.

Нараства относителният дял на контролерите за USB PD с прибавени в тях един или повече допълнителни интерфейси за зареждане на акумулаторите на портативни устройства. На първо място това е ВС 1.2, разгледан в следващия раздел, и по-рядко една или повече от разновидностите QuickCharge (например QC4+) на Qualcomm Technologies, интерфейсите Apple charging 2.4 и AFC.

Увеличава се популярността на контролери с вградени един или два интерфейса за управление (отразено в колона 4 на табл. 4) и на вграждането на допълнителни блокове (микроконтролер MCU с памети, самостоятелни памети, аналогово-цифров преобразувател ADC, цифрово-аналогов преобразувател DAC), отразено в колона 5.
Същността на действието на контролерите се изяснява чрез опростената им схема на свързване от фиг. 6. Блокът Source 5V-20V осигурява постоянното напрежение Uo, чиято стойност се задава от изход VSEL чрез двуразредно двоично число.

Мощният транзистор MOS осигурява VBUS, което напрежение може да се включва и изключва чрез изход EN от вграден драйвер за захранване на гейта му. Подходящи са нисковолтови транзистори с малко ron и високо качество с РРМ6), например сериите OptiMOS и StrongIRFET на Infineon Technologies с типично РРМ6).

Транзисторът може и да е вграден (все още сравнително рядко) в контролера, което също е указано в колона 4, а резисторът Rs e за максималнотоковата защита (Overcurrent Protection, OCP). Една от възможностите за установяване на максималния ток от VBUS е чрез числото на вход CS, а с SPI е означен входът за управляващия интерфейс. Съществуващото в USB Type-C разпознаване на свързването на кабел към VBUS и на максималния ток на консуматора е задължително в контролерите.

В табл. 4 са дадени сведения за основните възможности на контролери и някои от многобройните им параметри. Обикновено се предлагат серии контролери с различни възможности (например DFP и DRP) и стойности на част от параметрите – VBUS, IBUS, TA. Тъй като мощността на даден клас е в определени граници, понякога вместо принадлежността към него или заедно с нея като параметър се задава максималната доставяна мощност Pmax. Времето tstart е необходимото за установяване на VBUS или на захранващото напрежение VDD на контролера (в зависимост от модела).

За предпазване от повреда контролерите съдържат различни (в зависимост от модела) защити - освен ОСР се ползват още защита от недопустимо голямо (Overvoltage Protection,OVP) и малко (Undervoltage Lockout, UVLO) напрежение VBUS, от късо съединение (Short Circuit Protection, SCP) обикновено на VBUS (означение и като Output Short Protection, OSP), но и на СС1 и СС2, от липса на захранване (Open Supply Protection, OSUP), прекъсване на масата (Open Ground Protection, OGP), недопустимо голяма температура (Overtemperature Protection, OTP) и от електростатични разряди (Electrostatic Discharge, ESD).

Често контролерите съдържат две или три VDD за различни свои блокове. От останалите параметри в табл. 4 са дадени консумираният ток в работен режим IDD и този в режим “очакване” (Standby) Ist заедно с напреженията VIL и VIH (съответно максимално и минимално) на лог.0 и лог.1 на управляващите входове. Двата MOS транзистора, вградени в контролера на ред 11, не трябва да се отпушват едновременно, докато това е възможно в този на ред 12 за едновременното управляване на два консуматора.

USB зареждане на акумулатори
Едва ли е необходимо да се коментира важността на правилното, бързо и лесно за потребителя зареждане на акумулаторите на портативни електронни устройства и тъй като USB съдържа източник на 5 V е възможно неговото използване вместо зарядно устройство.

Това е идеята за създаване на серията стандарти USB BC (от Battery Charging) с първа разновидност ВС 1.0 от 08.03.2007 г. и последвана от ВС 1.1 от 15.04.2009 г., за да се достигне до ВС 1.2 (пълно наименование USB Battery Charging Specification, Revision 1.2) от 07.12.2010 г., в създаването на която участват 18 компании.

За реалното ползване на USB за зареждане се е наложило да се отстранят някои особености на интерфейса, например преминаването в режим на доставяне на консуматора на максимален ток 2,5 mA, след като определено време не са обменяни данни, както и спазване на правилата за зареждане на литиеви акумулатори.
Като шина за зареждане в USB 2.0 и USB 3.0 се ползват изводи D+ и D- на интерфейсите с 3 възможни начина на свързването им, всеки от които определя съответното наименование.

Стандартна шина (Standard Downstream Port) SDP, която изисква D+ и D- да бъдат съединени към маса през резистори 15 kΩ (допуска се до 24,8 kΩ). Между тях се свързва консуматорът, подава му се напрежение 5 V и от него той може да консумира максимум 500 mA в USB 2.0 и 900 mA в USB 3.0.

Специализирана зарядна шина (Dedicated Charging Port) DCP, представляваща свързани накъсо D+ и D- (допуска се съпротивление между тях до 200 Ω), а между тях и масата е консуматорът, без да е необходимо адресирането му. Максималният ток на консуматора е не по-малък от 1,5 А, а основните приложения на шината са в свързани към електрическата мрежа зарядни устройства и такива в автомобили.

Шина за зареждане и обмен на данни (Charging Downstream Port) CDP. В източника тя съдържа блок за превключване по време на зареждането в режим на обмен на данни с осигуряване на адресиране и скорост на обмен на данните в съответствие с USB 2.0, а напрежението и токът на зареждане са както на DCP.

В зависимост от структурата и предлаганите възможности съществуват 3 основни типа ИС, първият от които позволява и обмен на данни чрез USB. Това са дадените на редове 2, 3, 5 и 6 от табл. 5 с означение SW във втората колона, идеята за чието действие е изяснена на фиг. 7.

Чрез двойния ключ USBSW, управляван от блока CL (от Control Logic), може да се осъществи или не връзка на изводи D+/D- с PD+/PD- и съответно обмен на данни. Зарежданото устройство се свързва към OUT и при затворен мощен ключ SWP му се подава напрежението на вход IN. Двата ключа са с MOS транзистори, като Dr е необходимият драйвер за работата на SWP.

За да бъде затворен SWP, трябва съответното логическо ниво от CL и разрешение от вход EN. Блокът CL има различни функции в зависимост от конкретната ИС, например максималнотокова защита съвместно с токовия трансформатор СТ и задаване на режима на работа чрез управляващите сигнали на вход ConIn.

Към този тип могат да бъдат причислени и ИС за обмен на данни между USB и друг интерфейс заедно с постояннотоково захранване на модула на последния. Такъв е даденият на ред 9 в табл. 5 за двупосочна връзка между USB 2.0 и UART.

Вторият тип ИС се използват само за зареждане, съвременните им разновидности са само за Li-Ion и Li-Polymer акумулатори с типичен брой на клетките между 1 и 4. Вградени в ИС блокове осигуряват целия цикъл на зареждане, а примери са дадени на редове 7, 8 и 10 на табл. 5. Освен изход Bat или VBAT за свързване на акумулатора обикновено ИС имат втори (system или VSYS) други устройства със съществената практическа особеност автоматично избиране на захранването на последните от външен адаптор или от акумулатора.

Част от ИС на типа (например дадените на редове 7 и 10) са с наименование Narrow Voltage DC (NVDC), което означава, че напрежението на извод VSYS се поддържа в тесни граници, а повечето осъществяват функцията USB OTG (дадените на редове 7, 8 и 10).
Третият тип ИС са хъбове (редове 1 и 4), в които към основната функция е прибавена възможност за зареждане на акумулаторите в свързаните към тях периферни устройства. Някои хъбове (този на ред 1) осигуряват USB PD 3.0 за периферните устройства и компютъра.

В табл. 5 са дадени някои от характерните параметри на контролери за зареждане чрез USB, като тези в колона 5 са на двата ключа – съпротивление RDS(on) на затворения SWP, времена на затварянето и отварянето му, съпротивление RAS на затворения USBSW и максимална честота fAS на преминаващите през него сигнали.

Параметрите в колона 6 са постоянно напрежение UIN на входа IN, вместо което в някои ИС се дава максималната мощност PIN към зарежданото устройство, максимален ток IOUT на изход OUT (понякога придружаван от напрежението UOUT на изхода), консумираният ток IDD от ИС в работен режим и IS в режим “очакване” (Standby) на включване. При няколко различни корпуса на ИС в таблицата са размерите на най-малкия. Малкото данни за ИС на ред 1 са предварителни от 27.09.2018 г.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top