วิธีเพิ่มการถ่ายโอนพลังงานอย่างรวดเร็วจากอุปกรณ์ USB-C เป็น 100 W ด้วยการเขียนโปรแกรมขั้นต่ำ
Contributed By DigiKey's European Editors
2023-08-10
เนื่องจากพอร์ต Universal Serial Bus Type-C (USB-C) กลายเป็นเรื่องปกติมากขึ้น ผู้ใช้จำนวนมากจึงพึ่งพาพอร์ตเหล่านี้เพื่อส่งพลังงานไฟฟ้าในระดับที่สูงขึ้นไปยังอุปกรณ์เชื่อมต่อที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม ข้อกำหนด USB-C จำกัดแหล่งจ่ายไฟพื้นฐานของอุปกรณ์ "Type-C เท่านั้น" ไว้ที่สูงสุด 15 วัตต์ (5 โวลต์ 3 แอมแปร์ (A))
เพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้ นักออกแบบสามารถเพิ่ม USB Power Delivery (PD) และสร้างอุปกรณ์ Type-C PD ที่สามารถส่งได้สูงสุด 100 วัตต์ (20 โวลต์, 5 A) ในช่วงพลังงานมาตรฐาน (SPR) ตอนนี้ แทนที่จะต้องตั้งโปรแกรมโปรโตคอล USB PD ที่ครอบคลุมอย่างระมัดระวัง นักพัฒนาสามารถกำหนดค่าคอนโทรลเลอร์ PD ที่หาซื้อได้ง่ายและเพิ่มฟังก์ชัน PD แบบกำหนดเองและปรับให้เหมาะสมให้กับเครื่องชาร์จ AC/DC และพอร์ต USB ที่ควบคุมปัจจุบัน
บทความนี้แสดงภาพรวมของข้อกำหนดหลักสำหรับระบบ PD จากนั้นจะแนะนำคอนโทรลเลอร์ PD FUSB15101MNTWG จาก onsemi และแสดงวิธีเริ่มการกำหนดค่าเฟิร์มแวร์ของคอนโทรลเลอร์ที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าได้อย่างรวดเร็วโดยใช้บอร์ดประเมินผล ซอฟต์แวร์สำหรับการพัฒนา อะแดปเตอร์สำหรับเขียนโปรแกรม/ดีบัก และตัววิเคราะห์โปรโตคอล PD
สวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ที่มีการควบคุมพลังงานด้วยโปรโตคอล
ในสมัยก่อนเครื่องชาร์จติดผนังแบบอะนาล็อกสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ประกอบด้วยส่วนประกอบเพียงสองส่วน ได้แก่ หม้อแปลงและวงจรเรียงกระแส แต่ในปัจจุบัน ด้วยความต้องการประสิทธิภาพที่สูงขึ้น ความยืดหยุ่นที่มากขึ้น และการย่อส่วนอย่างต่อเนื่องได้รวมกันเพื่อให้การจ่ายไฟแม้แต่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ธรรมดากลายเป็นความพยายามที่ซับซ้อน สวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ในปัจจุบันต้องต่อรองกำลังเอาต์พุตแบบไดนามิกกับสมาร์ทโหลดที่เชื่อมต่อผ่านโปรโตคอลที่ซับซ้อน
USB PD เป็นหนึ่งในโปรโตคอลดังกล่าว ในเวอร์ชัน 3.1 จะประสานกำลังไฟฟ้าสูงสุด 240 วัตต์ผ่านสายเชื่อมต่อ USB Type-C Electronically Marked Cable Assembly (EMCA) อัจฉริยะ ในขณะเดียวกันก็รักษาความเข้ากันได้ย้อนหลังกับมาตรฐาน USB รุ่นเก่า อย่างไรก็ตาม การควบคุมการส่งพลังงาน PD แบบไดนามิกผ่านตัวเชื่อมต่อ USB-C 24 พินนั้นเหนือกว่าการควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบคงที่บนสายข้อมูลของอินเทอร์เฟซ USB สี่สายแบบคลาสสิก
อุปกรณ์ USB PD สามารถทำงานเป็นแหล่งจ่ายไฟแบบพอร์ตดาวน์สตรีม (DFP) เป็นอุปกรณ์จ่ายไฟแบบพอร์ตอัปสตรีม (UFP) (หรือ "ซิงก์") หรือในโหมดพอร์ตสองบทบาท (DRP) อุปกรณ์ต้นทาง PD จะสลับตัวต้านทานแบบดึงขึ้นภายในไปยังสายควบคุมสองเส้น (CC1 และ CC2); อุปกรณ์ PD sink ระบุตัวเองผ่านตัวต้านทานแบบดึงลงภายใน
สาย CC สองเส้นถูกใช้พร้อมกันเพื่อส่งข้อความ PD ที่มีความยาวสูงสุด 356 บิตที่อัตราสัญญาณนาฬิกา 300 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) (รูปที่ 1) ข้อความควบคุมแบบสั้นจะประสานการไหลของข้อความระหว่างคู่ค้าพอร์ตสองราย ในขณะที่ข้อความข้อมูลที่ยาวกว่าจะถูกใช้เพื่อต่อรองพลังงานและควบคุมการทดสอบตัวเองในตัว (BIST) หรือส่งเนื้อหาเฉพาะของ OEM
รูปที่ 1: โครงสร้างข้อความ PD สามารถมีความยาวได้ถึง 356 บิตแบบไดนามิก (แหล่งรูปภาพ: Cypress Semiconductor ผ่านทาง Embedded.com)
การเจรจาต่อรองระหว่างอุปกรณ์ PD
USB PD 3.0 SPR กำหนดระดับแรงดันไฟฟ้าคงที่หลายระดับระหว่าง 5 ถึง 20 โวลต์ และรองรับโปรไฟล์พลังงานคงที่สูงสุด 100 วัตต์เท่านั้น เมื่อใช้ส่วนขยายของแหล่งจ่ายไฟที่ตั้งโปรแกรมได้ (PPS) อุปกรณ์ซิงค์ USB สามารถขอแรงดันไฟฟ้าแบบเรียลไทม์จากแหล่งพลังงาน USB ระหว่าง 3 ถึง 21 โวลต์ โดยเพิ่มขึ้นทีละ 20 มิลลิโวลต์ (mV) ตามความต้องการ
ดังนั้น PPS จึงช่วยลดความยุ่งยากให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวิตชิ่งคอนเวอร์เตอร์ในอุปกรณ์พกพา ลดการกระจายความร้อน และเร่งการชาร์จโดยปรับการจับคู่พลังงานให้เหมาะสม USB PD 3.1 กำหนดช่วงพลังงานขยาย (EPR) สูงสุด 240 วัตต์ และใช้แหล่งจ่ายไฟแบบปรับได้ (AVS) เพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าบัสในช่วงที่สูงขึ้นระหว่าง 15 ถึง 48 โวลต์
เนื่องจาก 3 A เกินความจุในปัจจุบันของสาย USB ทั่วไปแล้ว USB Implementers Forum (USB-IF) จึงกำหนดให้ใช้สาย EMCA พิเศษ คุณสมบัติเหล่านี้มีส่วนตัดขวางของลวดที่หนาขึ้นและฉนวนของสายเคเบิล ชิป E-Marker ในปลั๊กสายเคเบิลยืนยันคุณสมบัติของสายเคเบิลเสริมเหล่านี้โดยใช้โปรโตคอล PD ในการทำเช่นนี้ พวกเขามีอิทธิพลต่อการเจรจาพลังงานระหว่างแหล่งที่มาและอุปกรณ์อ่างล้างจาน
การสื่อสารของ PD ใช้รหัส K พิเศษเพื่อแยกข้อความ ลำดับรหัส K พิเศษที่ระบุการเริ่มต้นของลำดับเรียกว่า Start Of Packet (SOP) มีการกำหนดลำดับสามลำดับ: SOP, SOP' และ SOP'' เพื่อให้ DFP (แหล่งพลังงาน เช่น อะแดปเตอร์การชาร์จเครือข่าย PD) สามารถสื่อสารในฐานะตัวเริ่มต้นกับชิป E-Marker ตัวใดตัวหนึ่งจากสองตัวในตัวเชื่อมต่อสายเคเบิล EMCA เช่นเดียวกับ UFP (USB power sink)
แผนผังลำดับงานในรูปที่ 2 แสดงการแลกเปลี่ยนข้อความระหว่างการเจรจาพลังงานที่ประสบความสำเร็จระหว่างอุปกรณ์ PD สองเครื่องที่เชื่อมต่อผ่านสายเคเบิล EMCA
รูปที่ 2: แสดงเป็นการเจรจาพลังงานที่ประสบความสำเร็จระหว่างอุปกรณ์ USB PD สองเครื่องผ่านสาย EMCA หมายเหตุ: Rqt = คำขอ; อัค = รับทราบ (แหล่งรูปภาพ: Cypress Semiconductor ผ่านทาง Embedded.com)
กำหนดค่าแทนโปรแกรม
ความซับซ้อนของโปรโตคอล PD ทำให้นักพัฒนาต้องใช้ความพยายามอย่างมากในการเขียนโปรแกรม วิธีที่เร็วกว่าคือการกำหนดค่าคอนโทรลเลอร์ USB PD ที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าด้วยคุณสมบัติที่กำหนดเองแทน ตัวอย่างคอนโทรลเลอร์คือ FUSB15101MNTWG ของ onsemi นี่คือคอนโทรลเลอร์ USB PD 3.1 ที่มีการผสานรวมสูง ซึ่งสามารถควบคุมตัวควบคุมการสลับด้านหลักของอะแดปเตอร์ AC/DC ผ่านออปโตคัปเปลอร์ หรือควบคุมตัวควบคุมกระแสพอร์ต DC/DC ได้โดยตรง
โซลูชันแบบออล-อิน-วันนี้ช่วยลดความซับซ้อนของวงจรผ่านอุปกรณ์ต่อพ่วงฮาร์ดแวร์ที่ได้รับการปรับแต่ง รวมถึงตัวแปลงดิจิทัลเป็นอะนาล็อกและอะนาล็อกเป็นดิจิทัล การตรวจจับอุณหภูมิ NTC และไดรเวอร์เกท NMOS เฟิร์มแวร์โอเพ่นซอร์สพร้อม Application Programming Interface (API) และ Eclipse-Based Integrated Development Environment (IDE) ช่วยอำนวยความสะดวกในการเขียนโปรแกรม
FUSB15101 รวมประสิทธิภาพสูงด้วย Arm® โปรเซสเซอร์ Cortex® M0+ พร้อมอินเทอร์เฟซ UART และรองรับข้อกำหนด PPS ควบคุมแรงดันเอาต์พุตตั้งแต่ 3.3 ถึง 21 โวลต์ มีการควบคุมแรงดันคงที่ (CV) และกระแสคงที่ (CC) ที่ตั้งโปรแกรมได้ และชดเชยการสูญเสียของสายเคเบิล นอกจากนี้ยังมีฟังก์ชันป้องกันแรงดันเกิน แรงดันตก กระแสเกิน และอุณหภูมิเกิน รวมถึงไดโอดป้องกันแรงดันไฟเกินที่พินของขั้วต่อ USB-C ตัวควบคุม PD รองรับ VCONN พลังงานสำหรับชิป E-Marker ในสายเคเบิล EMCA ในขณะที่โหมดไม่ได้ใช้งานและโหมดสลีปเป็นไปตามข้อกำหนดของใบรับรองความสอดคล้อง (CoC) และการออกแบบการทดลอง (DOE)
การใช้งานทั่วไป ได้แก่ :
- อะแดปเตอร์ AC/DC ที่สอดคล้องกับ USB PD (ดูการใช้งาน 1)
- พอร์ต DC/DC ที่สอดคล้องกับ USB PD (ดูการใช้งาน 2)
การใช้งาน 1: แหล่งจ่ายไฟสลับ AC/DC ที่มีเอาต์พุต USB PD
ในการใช้งานนี้ ตัวควบคุม FUSB15101 USB PD จะควบคุมNCP1345Q02D1R2G quasi-resonant (QR) สวิตชิ่งเรกูเลเตอร์ที่ด้านหลักของแหล่งจ่ายไฟสลับ AC/DC ผ่านออปโตคัปเปลอร์ NCP1345 ทำงานที่ 9 ถึง 38 โวลต์จากขดลวดเสริมของหม้อแปลงในขณะที่ใช้ขดลวดเสริมที่สองเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นสี่เท่าเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าสลับเพียงพอสำหรับ MOSFET ที่แรงดันเอาต์พุต USB ต่ำที่ 3.3 โวลต์ ในด้านรอง, คอนโทรลเลอร์ NCP4307AASNT1G ควบคุมการแก้ไขแบบซิงโครนัส การรวมไอซีทั้งสามเข้าด้วยกันทำให้เกิดแหล่งจ่ายไฟแบบเปลี่ยนเกียร์ที่มีประสิทธิภาพประมาณ 90% อย่างสม่ำเสมอในโปรไฟล์พลังงาน PD ที่แตกต่างกัน
รูปที่ 3 แสดงแผนภาพวงจรหลักของเครื่องชาร์จหลัก USB-C PD 3.0 PPS โดยอิงจาก IC สามตัวที่ให้กำลังไฟ 65 วัตต์ (20 โวลต์/3.25 A)
รูปที่ 3: ในโซลูชันนี้สำหรับเครื่องชาร์จติดผนัง USB PD FUSB15101 จะควบคุม ตัวควบคุมการสลับฟลายแบ็ค NCP1345 QR ที่ด้านหลักของแหล่งจ่ายไฟสลับ AC/DC ผ่านออปโตคัปเปลอร์ (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)
โปรแกรมเมอร์เริ่มแอปพลิเคชันแหล่งจ่ายไฟ USB PD ของตนเองโดยใช้บอร์ดประเมินผล NCP1342PD65WGEVB ของ onsemi ดังรูปที่ 4
รูปที่ 4: การใช้บอร์ดประเมินเครื่องชาร์จติดผนัง NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0 โปรแกรมเมอร์สามารถเริ่มต้นได้ทันที (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)
โช้กเก็บของของบอร์ดนี้ในรูปแบบของหม้อแปลง RM8 ขนาดกะทัดรัด ให้กำลังขับ 60 วัตต์ (20 โวลต์/3 A) ตัวควบคุมการสลับฟลายแบ็คกึ่งเรโซแนนซ์ NCP1342BMDDD1R2G ทำงานจาก 9 ถึง 28 โวลต์จากขดลวดเสริมเพียงเส้นเดียว เหมาะสำหรับการพัฒนาตัวแปลงพลังงานออฟไลน์ที่มีประสิทธิภาพสูงและอะแดปเตอร์ USB PD มีคุณสมบัติพับกลับความถี่อย่างรวดเร็ว (RFF) เพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้นตลอดช่วงโหลด ตัวเก็บประจุดิสชาร์จ X2 แบบแอคทีฟในตัวช่วยลดความจำเป็นในการใช้ตัวต้านทานดิสชาร์จ และช่วยให้ใช้พลังงานต่ำกว่า 40 มิลลิวัตต์ (mW) โดยไม่มีโหลด
การใช้งาน 2: ตัวควบคุมกระแส DC/DC สำหรับพอร์ต USB PD
ในการใช้งานกรณีนี้ ตัวควบคุม FUSB15101 USB PD จะขับเคลื่อนคอนโทรลเลอร์ตัวแปลง DC/DC แบบสี่สเตจ บัค/บูสต์ สเต็ปอัพ/ดาวน์ NCV81599MWTXG สิ่งนี้ทำให้พอร์ต USB-C ที่จำกัดไว้ที่ 15 วัตต์สามารถขยายไปยังแหล่งพลังงาน PD ที่ให้มากกว่า 60 วัตต์และจ่ายไฟโดยแหล่งจ่ายไฟ DC ภายในอุปกรณ์หรือแบตเตอรี่ (รูปที่ 5)
รูปที่ 5: ในการใช้งานตัวควบคุมพอร์ต DC/DC ปัจจุบัน FUSB15101 จะควบคุมตัวควบคุมตัวแปลง DC/DC แบบสี่ขั้นตอน NCV81599 โดยตรง (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)
นักพัฒนาสามารถประหยัดเวลาและเริ่มการทดสอบและตั้งโปรแกรมได้ทันทีด้วย NCV81599 โดยใช้บอร์ดประเมินผล FUSB3307MPX-PPS-GEVB วงจรควบคุมกระแสไฟ DC/DC นี้จะแปลงพอร์ต USB เป็นแหล่งจ่ายไฟกระแสไฟ PD 3.0 PPS ซึ่งจ่ายกระแสได้สูงสุด 5 A ที่แรงดันบัสตั้งแต่ 3.3 ถึง 21 โวลต์ (รูปที่ 6) วงจรนี้มีความสามารถในการตรวจจับสายเคเบิล E-Marker และสามารถใช้งานแบบสแตนด์อโลนหรือเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ทดสอบได้
รูปที่ 6: FUSB3307MPX-PPS-GEVB ใช้เป็นบอร์ดประเมินสำหรับ NCV81599 ที่เปลี่ยนพอร์ต USB เป็นแหล่งจ่ายไฟ PD 3.0 PPS (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)
แหล่งจ่ายไฟ DC หรือแบตเตอรี่จ่ายไฟให้กับ VBAT อินพุตของบอร์ด FUSB3307 ที่มี 4.5 ถึง 32 โวลต์ วงจรควบคุมการควบคุมแรงดันคงที่ (CV) หรือกระแสคงที่ (CC) และมีการป้องกันแรงดันเกิน แรงดันตก ไฟฟ้าลัดวงจร อุณหภูมิเกิน และสภาวะสายไฟฟ้าขัดข้อง
การเขียนโปรแกรม FUSB15101
FUSB15010 เฟิร์มแวร์ เป็นไดรเวอร์คอนโทรลเลอร์ Type-C PD ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมอย่างยิ่งซึ่งรองรับโปรเซสเซอร์ Arm Cortex M0+ ในตัว เฟิร์มแวร์นี้มีความยืดหยุ่นในการจัดการกับข้อความ PD ใหม่ รวมถึงโฟลว์สถานะ Type-C เพิ่มเติม โค้ดถูกจัดระเบียบในรูปแบบโมดูลาร์ โดยแยกซอร์สโค้ดของการใช้งาน ระดับชั้นสำหรับการจัดการกับฮาร์ดแวร์โดยตรง โค้ดที่ขึ้นกับแพลตฟอร์ม และฟังก์ชันหลักของ USB Type-C PD
ฟังก์ชันหลักของ PD สามารถกำหนดค่าได้ผ่านตัวเลือกการสร้างโครงการหรือโดยการแก้ไขไฟล์ข้อมูลผู้ขาย “vif_info.h” โค้ดเบสมีโปรเจ็กต์ตัวอย่าง Eclipse ที่สามารถคอมไพล์ได้โดยใช้ IDE ทำให้สามารถเริ่มต้นได้เร็วขึ้นสำหรับการประเมินคอนโทรลเลอร์ Type-C PD แบบสแตนด์อโลน
ตารางที่ 1 สรุปโปรไฟล์ PD ที่สนับสนุนโดย FUSB15101; PDO เป็นวัตถุส่งพลังงาน
|
ตารางที่ 1: แสดงเป็นโปรไฟล์ PD ที่ FUSB15101 รองรับ (แหล่งที่มาของตาราง: onsemi)
ดังที่ได้กล่าวไว้ พารามิเตอร์ของโปรไฟล์การชาร์จสามารถแก้ไขได้ง่ายมากในไฟล์ “vif_info.h” รหัสต่อไปนี้แสดงวิธีเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าสูงสุดใน PDO 4 จาก 20 โวลต์/3 A เป็น 20 โวลต์/3.25 A:
ค่า PDO กระแส:
#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20000 mV
#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 300 // 3.00 A
ค่า PDO ใหม่:
#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4 400 // 20000 mV
#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4 325 // 3.25 A
สามารถดูรายละเอียดและคำแนะนำเพิ่มเติมสำหรับการติดตั้ง IDE ตลอดจนการนำเข้าเฟิร์มแวร์และการคอมไพล์ไฟล์ไบนารีได้ในคู่มือ FUSB15101EVBSPG
การติดตั้งเครื่องมือตั้งโปรแกรมและขั้นตอนของแฟลชครั้งเดียวมีอธิบายไว้ในคู่มือผู้ใช้ UM70086-D อะแดปเตอร์การเขียนโปรแกรมและดีบัก Arm Cortex-M ที่เหมาะสมเพื่ออำนวยความสะดวกในการพัฒนาคือ 8.08.91 J-LINK EDU MINI จาก Segger Microcontroller Systems .
ตรวจสอบการสื่อสาร PD
เพื่อตรวจสอบการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ USB PD สองเครื่อง นักพัฒนาสามารถใช้ตัววิเคราะห์โปรโตคอล CY4500 จาก Infineon Technologies ซึ่งรองรับข้อกำหนด USB PD 3.0 และ USB-C ทำการทดสอบแบบไม่ล่วงล้ำและบันทึกข้อความโปรโตคอลที่ถูกต้องบนสาย CC ซอฟต์แวร์การวิเคราะห์ EZ-PD ที่เกี่ยวข้องจะแสดงรายการข้อความทั้งหมดของไดอะล็อกระหว่างอุปกรณ์ USB PD สองเครื่องและสาย EMCA โดยละเอียด (รูปที่ 7)
รูปที่ 7: ซอฟต์แวร์วิเคราะห์ EZ-PD ติดตามไดอะล็อกระหว่างอุปกรณ์ USB PD สองตัวบนเส้น CC (แหล่งรูปภาพ: Infineon Technologies)
สรุป
แม้ว่าการเข้าใจพื้นฐานของโปรโตคอล USB PD เป็นสิ่งสำคัญเพื่อปรับการออกแบบให้ตรงกับความต้องการด้านพลังงานที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์ผู้ใช้ปลายทาง แต่เป็นโปรโตคอลที่ซับซ้อนซึ่งอาจต้องใช้การเขียนโปรแกรมอย่างละเอียด เพื่อประหยัดเวลา นักพัฒนาสามารถใช้คอนโทรลเลอร์ USB PD ที่ตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าและผสานรวมอย่างสูงเพื่อเพิ่มกำลังไฟ USB-C 15 วัตต์เป็นมากกว่า 100 วัตต์ เครื่องชาร์จ AC/DC USB และพอร์ต USB DC/DC สามารถเพิ่มประสิทธิภาพด้วยฟังก์ชัน PD แบบกำหนดเองโดยเพียงแค่กำหนดค่าคอนโทรลเลอร์ PD การใช้บอร์ดประเมินผลและตัววิเคราะห์โปรโตคอล PD ช่วยอำนวยความสะดวกในกระบวนการพัฒนา

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.