ซิงก์คอนโทรลเลอร์ USB PD 3 เพิ่มพลังให้กับการใช้งานที่ใช้ USB Type-C

โอกาสของอุปกรณ์ชาร์จที่เป็นกรรมสิทธิ์จะปิดลงอย่างรวดเร็ว เนื่องจากหน่วยงานกำกับดูแลระดับภูมิภาคเริ่มต้องการโซลูชันการชาร์จทั่วไปโดยใช้สายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อ USB Type-C® มาตรฐาน โดยนักออกแบบผลิตภัณฑ์ที่เร่งรีบเพื่อก้าวนำหน้าข้อกำหนดระดับภูมิภาคเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานนี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานของตนสำหรับยุคใหม่นี้ได้โดยใช้ซิงก์คอนโทลเลอร์ USB Power Delivery (PD) ที่จะสื่อสารการจ่ายพลังงานระหว่างอุปกรณ์และเครื่องชาร์จ

หลังจากเดือนธันวาคม 2024 ในสหภาพยุโรป อุปกรณ์แบบมีสายและชาร์จได้ใดๆ ที่ต้องใช้กำลังไฟสูงสุด 100 W (แล็ปท็อปได้รับการยกเว้นชั่วคราวจากข้อบังคับจนถึงปี 2026) ต้องใช้พอร์ต USB Type-C ที่ชาร์จได้ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนด USB PD โดยคำสั่งอื่นๆ สำหรับการนำมาตรฐานดังกล่าวมาใช้จะมีผลใช้บังคับในปี 2025 ในอินเดียและซาอุดีอาระเบีย ตามมาด้วยรัฐแคลิฟอร์เนียในปี 2026

USB Type-C เพียงอย่างเดียวสามารถจ่ายไฟได้เพียง 5 V ที่ 3 A รวมเป็น 15 W โดยการให้ได้ถึง 100 W ต้องใช้ข้อกำหนด USB PD 3.0 หรือ USB PD 3.1 ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าตัวเชื่อมต่อ Type-C สามารถต่อรองแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าได้ในขณะเดียวกันก็ถ่ายโอนข้อมูลความเร็วสูงด้วย

USB PD 3.0 รองรับการส่งกระแสไฟสูงสุด 100 W และแรงดันไฟฟ้าคงที่ 5 V, 9 V, 15 V และ 20 V โดยมีกระแสสูงสุด 5 A ข้อมูลจำเพาะ USB PD 3.1 ที่อัปเดตมีคุณสมบัติ Extended Power Range (EPR) และการจ่ายแรงดันไฟฟ้าขั้นสูง (AVS) ซึ่งเพิ่มกำลังเอาท์พุตได้มากถึง 240 W และเพิ่มแรงดันไฟฟ้าคงที่ใหม่สามตัวคือ 28 V, 36 V และ 48 V

ข้อมูลจำเพาะ USB PD 3.x ปรับปรุงใน PD 2.0 เวอร์ชันก่อนหน้าด้วยการเพิ่มปริมาณการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างซิงก์ (อุปกรณ์ที่รับพลังงาน) และซอร์ส (อุปกรณ์ที่จ่ายพลังงาน) เพื่อรวมปัจจัยที่อาจส่งผลกระทบต่อการใช้งาน เช่น สถานะการชาร์จแบตเตอรี่ของอุปกรณ์ อุณหภูมิแบตเตอรี่ ความล้มเหลว และแรงดันไฟฟ้าเกิน

กำลังไฟ 100 W ที่ส่งผ่าน USB PD 3.0 นั้นเพียงพอสำหรับชาร์จแล็ปท็อป จอภาพ และแม้แต่ทีวีบางรุ่น USB PD ยังรองรับเอาต์พุตวิดีโอและเสียง รวมถึง DisplayPort และ HDMI และโปรโตคอลการถ่ายโอนข้อมูล เช่น Thunderbolt 3

นำเสนอการใช้งานที่ได้รับการปรับปรุง

นักออกแบบผลิตภัณฑ์สามารถใช้ประโยชน์จาก USB PD 3.x เพื่อมอบประสบการณ์ที่ดียิ่งขึ้นแก่ผู้ใช้ด้วยการชาร์จและถ่ายโอนข้อมูลที่รวดเร็วยิ่งขึ้น และความเข้ากันได้กับอุปกรณ์ด้วยสายเคเบิลและขั้วต่อเส้นเดียว พวกเขาสามารถกล่าวได้ว่าพวกเขาได้ลดขยะอิเล็กทรอนิกส์ที่สะสมจากการใช้สายเคเบิลและเครื่องชาร์จหลายตัวเพื่อชาร์จอุปกรณ์หลายเครื่องของผู้บริโภคและธุรกิจ

เทคโนโลยีนี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถออกแบบได้ง่ายขึ้นโดยใช้พอร์ตและส่วนประกอบน้อยลง นอกจากนี้ ยังอาจลดต้นทุนการผลิตและการขนส่งได้ด้วยการกำจัดน้ำหนักและบรรจุภัณฑ์ของที่ชาร์จที่เพิ่ม ตลอดจนเวลาและความพยายามที่จำเป็นในการอัปเดตที่ชาร์จเฉพาะอุปกรณ์ใหม่

ด้วยการใช้ตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลเพียงเส้นเดียวสำหรับหลายฟังก์ชัน นักออกแบบสามารถมุ่งเน้นไปที่การสร้างการใช้งานที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งใช้ประโยชน์จากอัตราพลังงานและอัตราข้อมูลที่สูงของ USB Type-C PD นอกจากนั้นพวกเขายังสามารถปรับปรุงประสบการณ์ผู้ใช้และฟังก์ชันการทำงานของผลิตภัณฑ์ด้วยคุณสมบัติเพิ่มเติม เช่น แท่นวาง ฮับ และตัวแปลงที่ขยายการเชื่อมต่อและความเข้ากันได้ของอุปกรณ์

ในการพัฒนาการใช้งานใหม่โดยใช้ USB PD 3.0 นักออกแบบผลิตภัณฑ์ต้องเผชิญกับความท้าทายบางอย่าง เช่น การปฏิบัติตามข้อกำหนด USB PD และการรับรองความสามารถในการทำงานร่วมกันกับอุปกรณ์และเครื่องชาร์จอื่นๆ

การป้องกันความเสียหายหรือการบาดเจ็บจากแรงดันไฟเกิน กระแสไฟเกิน หรือขั้วย้อนกลับเป็นอีกปัญหาที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อโซลูชันที่ใช้เทคโนโลยีนี้ใช้วงจรและเฟิร์มแวร์ที่ซับซ้อนมากกว่ารุ่นก่อนๆ สิ่งที่ช่วยเอาชนะความท้าทายดังกล่าว ได้แก่ ตัวควบคุมการส่งกำลังที่รองรับโปรโตคอลและการกำหนดค่าที่หลากหลาย และบอร์ดประเมินผลที่ช่วยให้สร้างต้นแบบและตรวจสอบได้อย่างรวดเร็ว

การใช้ USB Type-C PD ในการทำงาน

กุญแจสำคัญสำหรับ USB PD 3.0 คือความสามารถในการเจรจาและจัดการการจ่ายพลังงานระหว่างอุปกรณ์ที่รับพลังงานและอุปกรณ์ที่จ่ายพลังงานโดยใช้โปรโตคอลมาตรฐาน คอนโทรลเลอร์อุปกรณ์ที่รับพลังงาน USB PD เจรจากับแหล่งจ่าย USB PD เช่น ที่ชาร์จ เพื่อรับรูปแบบการใช้พลังงานของอุปกรณ์ อุปกรณ์ที่เป็นไปตามข้อกำหนดสามารถร้องขอและจ่ายแรงดันและกระแสที่แตกต่างกันได้ตามความต้องการและความสามารถ และปรับระดับพลังงานแบบไดนามิกระหว่างการทำงาน

กระบวนการเจรจาและบริหารจัดการการส่งมอบพลังงานประกอบด้วยสี่ขั้นตอน:

• การค้นพบเกิดขึ้นเมื่ออุปกรณ์ที่รับพลังงานและอุปกรณ์ที่จ่ายพลังงานรับทราบซึ่งกันและกันว่าเป็นอุปกรณ์ที่รองรับ USB PD และสร้างช่องทางการสื่อสารข้อมูลบนพินช่องการกำหนดค่า (CC) บนตัวเชื่อมต่อ USB Type-C
• การแลกเปลี่ยนความสามารถ คือเมื่อแหล่งที่มาระบุรูปแบบการใช้พลังงานที่รองรับ—ระดับแรงดันและกระแส—ไปยังอุปกรณ์ที่รับพลังงานจากนั้นจึงขอรูปแบบการใช้พลังงานที่ตรงกับข้อกำหนด
• ข้อตกลงการใช้พลังงานเป็นกระบวนการให้ต้นทางยอมรับหรือปฏิเสธคำขอของซิงก์ หากได้รับการยอมรับ แหล่งกำเนิดจะเริ่มจ่ายพลังงานตามที่ร้องขอไปยังซิงก์โดยใช้พารามิเตอร์กำลังที่ตกลงกันไว้
• การอัปเดตกฎพลังงาน ช่วยให้ซิงก์หรือซอร์สเริ่มต้นการสื่อสารกำลังไฟใหม่เพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงระดับแบตเตอรี่หรือโหลดบนซิงก์ หรือการเปลี่ยนแปลงกำลังไฟฟ้าอินพุตของแหล่งกำเนิด

USB PD 3.0 ใช้ข้อความขยาย ซึ่งควบคุมการแลกเปลี่ยนข้อมูลระหว่างซิงก์และแหล่งจ่าย เช่น สถานะแบตเตอรี่ อุณหภูมิ หรือข้อมูลเฉพาะของผู้ผลิต นอกจากนี้ยังรองรับโหมดการจ่ายไฟที่ตั้งโปรแกรมได้ (PPS) ช่วยให้สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าและกระแสเอาต์พุตของแหล่งได้ละเอียดยิ่งขึ้น และการสลับบทบาทพลังงานระหว่างอุปกรณ์รับและแหล่งจ่ายได้อย่างราบรื่น โดยไม่รบกวนการสื่อสารข้อมูล

ความสามารถหลักอีกประการหนึ่งของ USB PD 3.0 คือการชาร์จแบบย้อนกลับ ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์ที่มีความจุแบตเตอรี่สูงกว่าสามารถชาร์จอุปกรณ์ที่มีความจุแบตเตอรี่ต่ำกว่าได้ โดยไม่คำนึงถึงบทบาทด้านพลังงาน ตัวอย่างเช่น การใช้สาย USB Type-C เส้นเดียวกัน แล็ปท็อปสามารถชาร์จสมาร์ทโฟนได้ หรือสมาร์ทโฟนเครื่องเดียวกันนั้นสามารถชาร์จชุดหูฟังได้ ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างเห็นได้ชัดสำหรับผู้ใช้อุปกรณ์ที่สามารถพกสายเคเบิลเส้นเดียวสำหรับชาร์จอุปกรณ์หลายเครื่องได้

การชาร์จแบบย้อนกลับอาจเข้ากันไม่ได้กับอุปกรณ์หรือเครื่องชาร์จทั้งหมด นอกจากนี้ยังอาจส่งผลให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์ที่ทำงานเป็นแหล่งกำเนิดลดลง และเพิ่มความซับซ้อนและต้นทุนของการออกแบบวงจร ดังนั้น เช่นเดียวกับการใช้งานด้านอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ นักออกแบบผลิตภัณฑ์จะต้องชั่งน้ำหนักข้อดีข้อเสียของการใช้การชาร์จแบบย้อนกลับเพื่อให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนด USB PD 3.x และทดสอบการทำงานร่วมกันกับอุปกรณ์และเครื่องชาร์จหลายประเภท

ซิงก์คอนโทรลเลอร์ USB 3

หากต้องการเปิดใช้งานฟังก์ชัน USB PD 3.x ในอุปกรณ์ของตน ผู้ออกแบบผลิตภัณฑ์สามารถใช้ตัวควบคุมซิงก์เฉพาะที่รองรับโปรโตคอลและจัดการการสื่อสารกับอุปกรณ์ต้นทาง

Diodes Incorporated นำเสนอโซลูชันที่มีการบูรณาการสูงและคุ้มค่า ซึ่งให้การชาร์จที่รวดเร็ว การชาร์จแบบย้อนกลับ โหมด PPS และคุณสมบัติอื่นๆ ของ USB PD 3.x นอกจากนี้ยังรองรับโปรโตคอลรุ่นเก่า เช่น Qualcomm Quick Charge 4+ และ Huawei FCP/SCP เพื่อให้มั่นใจว่าสามารถใช้งานร่วมกับที่ชาร์จและอะแดปเตอร์ได้หลากหลาย

AP33771 (รูปที่ 1) คือคอนโทรลเลอร์ USB PD 3.0 ที่มีเฟิร์มแวร์ที่รองรับ USB PD 3.0 และอินเทอร์เฟซพร้อมเมนูพลังงานที่โหลดไว้ล่วงหน้า ทำให้ใช้งานง่ายยิ่งขึ้น มีช่องสัญญาณเอาท์พุต 1 ช่องที่สามารถจ่ายไฟได้สูงสุด 27 W

รูปที่ 1: การกำหนดพินของตัวควบคุม sink AP33771 (แหล่งที่มารูปภาพ: Diodes Incorporated)

AP33772 (รูปที่ 2) คือคอนโทรลเลอร์ USB PD 3.0 ที่ใช้อินเทอร์เฟซ I²C และเฟิร์มแวร์ในตัวเพื่อต่อรองพลังงานและแรงดันไฟฟ้า ช่วยให้นักออกแบบมีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการใช้ฟังก์ชัน PD sink ทั้งหมด นอกจากนี้ยังมีช่องสัญญาณเอาต์พุตสองช่องที่สามารถจ่ายไฟได้สูงสุด 45 W และมีวงจรป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน (OVP) ในตัวสำหรับแต่ละช่องสัญญาณ ซึ่งสามารถป้องกันความเสียหายต่ออุปกรณ์ในกรณีที่เครื่องชาร์จหรือสายเคเบิลชำรุด

รูปที่ 2: ซิงก์คอนโทรลเลอร์ AP33772 ของ Diodes มาในบรรจุภัณฑ์ขนาดเดียวกับ AP33771 แต่มีการกำหนดพินต่างกัน (แหล่งที่มารูปภาพ: Diodes Incorporated)

ไดโอดยังมีซิงก์คอนโทรลเลอร์ USB PD 3.1 รุ่น AP33771C อีกด้วยซึ่งรองรับ EPR/AVS สูงสุด 28 V และ Standard Power Range (SPR)/PPS สูงสุด 21 V

คอนโทรลเลอร์แต่ละตัวให้การใช้พลังงานขณะสแตนด์บายต่ำ ประสิทธิภาพสูง และคุณสมบัติการป้องกันความร้อน มีจำหน่ายในแพ็คเกจ W-QFN4040-24 (4 มม. x 4 มม.) ขนาดเล็ก ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์พกพาขนาดกะทัดรัด

นอกจากนี้ Diodes ยังมีบอร์ดประเมินผลสองชุดสำหรับคอนโทรลเลอร์ USB PD 3.0 AP33771-EVB และ AP33772-EVB ได้รับการออกแบบมาเพื่อการชาร์จโดยใช้อุปกรณ์ที่มีคอนเนคเตอร์ Type-C และเครื่องชาร์จหรืออะแดปเตอร์ PD ที่ติดตั้งคอนเนคเตอร์ Type-C AP33771-EVB ใช้การตั้งค่าตัวต้านทานอย่างง่ายสำหรับการเจรจาต่อรอง USB-PD ในขณะที่ AP33772-EVB ใช้ I²C

สรุป

USB Type-C กำลังจะกลายเป็นมาตรฐานสากลสำหรับการเชื่อมต่อข้อมูลอุปกรณ์ โปรโตคอล USB PD 3.x ช่วยให้นักออกแบบผลิตภัณฑ์มีแนวทางในการสร้างการใช้งานที่ให้พลังงานมากขึ้น ชาร์จเร็วขึ้น และถ่ายโอนข้อมูลได้ดีขึ้นสำหรับอุปกรณ์ของตนโดยใช้ตัวเชื่อมต่อและสายเคเบิลที่ได้รับการยอมรับทั่วโลก โดยไม่จำเป็นต้องใช้ที่ชาร์จเฉพาะอุปกรณ์ ด้วยโซลูชั่นของ Diodes Incorporated ผู้ออกแบบผลิตภัณฑ์สามารถรวม USB PD 3.0 หรือ PD 3.1 เข้ากับอุปกรณ์ของตนได้อย่างง่ายดาย เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและปรับปรุงประสบการณ์ผู้ใช้