כיצד להגביר במהירות את העברת ההספק מהתקני USB-C עד W‏ 100‏ עם תכנות מינימלי

ככל שנקודות-חיבור אפיק טורי אוניברסלי Type-C‏ (USB-C‏) הופכות נפוצות יותר, משתמשים רבים מסתמכים עליהן כדי לספק רמות גבוהות יותר של הספק חשמלי למגוון רחב של התקנים מחוברים. עם זאת, מפרט USB-C מגביל את הספקת-הכוח הבסיסית של התקן "Type-C בלבד" למקסימום של 15 וואט (5 וולט, 3 אמפר (A‏)).

כדי להתגבר על מגבלה זו, המתכננים יכולים להוסיף (PD‏) USB Power Delivery וליצור התקן PD‏ Type-C היכול לספק עד 100 וואט (20 וולט, A‏ 5‏) בתחום הספק סטנדרטי (SPR‏). כעת, במקום לתכנת במאמצים רבים את פרוטוקול USB PD המקיף, המפתחים יכולים להגדיר בקלות בקר PD מן-המדף ולהוסיף פונקציונליות PD מותאמת-במיוחד וממוטבת למטעני AC/DC ונקודות-חיבור USB מבוקרות-זרם.

מאמר זה מספק סקירה כללית של דרישות הליבה עבור מערכות PD. לאחר מכן הוא מציג את בקר FUSB15101MNTWG PD‏ של onsemi‏ ומראה כיצד להתחיל במהירות להגדיר את תצורת הקושחה של הבקר המתוכנת-מראש באמצעות לוחות הערכה, תוכנת פיתוח, מתאמי תכנות/ניפוי באגים ומנתח פרוטוקול PD.

ממיר ממותג עם ייצוב הספק מבוקר-פרוטוקול

הייתה תקופה שבה מטעני קיר אנלוגיים עבור התקנים מוזני-סוללות כללו שני רכיבים בלבד: שנאי ומיישר. כעת, הצורך בנצילות גבוהה יותר, בגמישות רבה יותר ובמזעור מתמשך התחברו והפכו את הזנת אפילו התקנים אלקטרוניים פשוטים למאמץ מורכב. הממירים הממותגים מבוססי מיקרו-בקר של ימינו חייבים כעת לנהל משא ומתן דינמי על הספק היציאה שלהם עם עומסים חכמים מחוברים באמצעות פרוטוקול מורכב.

USB PD הוא פרוטוקול אחד כזה. בגרסה 3.1, הוא מתאם עד 240 וואט של הספק קו חשמלי באמצעות כבל חיבור חכם USB Type-C‏ Electronically Marked Cable Assembly‏ (EMCA‏), תוך שמירה על תאימות לאחור עם תקני USB ישנים יותר. עם זאת, הבקרה בהעברת הספק PD דינמית באמצעות מחבר USB-C בעל 24 פינים היא הרבה מעבר למתחי הבקרה הסטטית בקווי הנתונים של ממשק ה-USB הקלאסי עם ארבעה חוטים.

התקן USB PD יכול לפעול כמקור הספק מסוג נקודת-חיבור הפונה למורד-הזרם (DFP‏), כצרכן הספק מסוג נקודת-חיבור הפונה למעלה-הזרם (UFP‏) (או מאסף (Sink‏)), או באופן נקודת-חיבור עם תפקיד כפול (DRP‏). התקן מקור PD ממתג פנימית נגדי Pull-Up‏ לשני קווי בקרה (CC1‏ ו-CC2‏); התקן מאסף (Sink‏) PD מזהה את עצמו באמצעות נגדי Pull-Down‏ פנימיים.

שני קווי ה-CC משמשים בו-זמנית להעברת הודעות PD באורך של עד 356 ביטים בקצב שעון של 300 קילו-הרץ (kHz) (איור 1). הודעות בקרה קצרות מתאמות את זרימת ההודעות בין שני שותפי נקודות-חיבור, בעוד שהודעות נתונים ארוכות יותר משמשות כדי לנהל משא ומתן על ההספק, לבקר את הבדיקה-העצמית המובנית (BIST) או להעביר תוכן ספציפי-ל-OEM.

איור 1: מבנה הודעת PD יכול להגיע דינמית עד אורך של 356 ביטים. (מקור התמונה: Cypress Semiconductor, דרך embedded.com)

משא ומתן על ההספק בין התקני PD

ה-USB PD 3.0 SPR מגדיר מספר רמות מתח קבועות בין 5 ל-20 וולט ותומך בפרופילי הספק סטטי בלבד של עד 100 וואט. באמצעות מרחיב לספק-כוח ניתן-לתכנות (PPS), התקן USB מאסף (Sink‏) יכול לדרוש בזמן-אמת מתח ממקור הספקת-הכוח USB בין 3 ל-21 וולט באינקרמנטים של 20 מילי-וולט (mV), בהתאם לצרכיו.

ה-PPS מפשט בכך את האלקטרוניקה של הממיר הממותג בהתקנים ניידים, מפחית את פיזור החום ומאיץ את הטעינה על ידי אופטימיזציה של התאמת ההספק. USB PD 3.1 מגדיר תחום הספק מורחב (EPR‏) עד למקסימום של 240 וואט ומשתמש בהספקת מתח מתכווננת (AVS‏) כדי לייצב את מתח האפיק בתחום גבוה יותר של בין 15 ל-48 וולט.

מכיוון ש-A‏ 3‏ כבר חורג מיכולת נשיאת הזרם של כבלי USB רגילים, פורום מיישמי USB‏ (USB-IF‏) קובע כי יש להשתמש בכבלי EMCA מיוחדים. להם יש חתכי-רוחב חוטים עבים יותר ובידוד כבלים. שבבי E-Marker המותקנים בתוך תקעי הכבלים מכילים את מזהי כבלים מחוזקים אלו לפי פרוטוקול PD. בכך הם משפיעים על המשא ומתן על ההספק בין המקור לבין ההתקן המאסף (Sink‏).

תקשורת PD משתמשת בקודי K מיוחדים כדי לתחום הודעות. רצף קוד K מיוחד המציין את תחילתו של רצף נקרא Start Of Packet‏ (SOP‏). שלושה רצפים מוגדרים: SOP‏, 'SOP‏ ו-"SOP‏, כך ש-DFP (מקור -הספקת-כוח כגון מתאם טעינת רשת PD) יכול לתקשר כיוזם עם אחד משני שבבי E-Marker שבתוך מחברי כבל EMCA, כמו גם עם ה-UFP (מאסף (Sink‏) הספקת-כוח USB‏).

תרשים הזרימה באיור 2 מציג את חילופי ההודעות במהלך משא ומתן מוצלח על ההספק בין שני התקני PD המחוברים באמצעות כבל EMCA.

איור 2: מוצג כאן משא-ומתן מוצלח על ההספק בין שני התקני USB PD דרך כבל EMCA. הערה: Rqt = דרישה; Ack = אישור. (מקור התמונה: Cypress Semiconductor, דרך embedded.com)

הגדרת-תצורה במקום תכנות

המורכבות של פרוטוקול PD מתורגמת לתרגיל תכנות רב-מאמצים עבור המפתח. גישה מהירה יותר היא להגדיר במקום זאת בקר USB PD מתוכנת-מראש עם מאפיינים מותאמים-במיוחד. בקר לדוגמה הוא ה-FUSB15101MNTWG של onsemi‏. זהו בקר USB PD 3.1 משולב ביותר היכול לבקר מייצב ממותג צד-ראשוני של מתאם AC/DC באמצעות מצמד אופטי, או לבקר ישירות מייצב זרם נקודת-חיבור DC/DC.

פתרון הכול-באחד זה מפחית למינימום את מורכבות המעגל באמצעות ציוד היקפי חומרה ממוטב, כולל ממירי דיגיטלי-לאנלוגי ואנלוגי-לדיגיטלי, חישת טמפרטורה NTC ודוחפי שער NMOS. קושחת קוד פתוח עם ממשק תכנות יישומים (API) וסביבת פיתוח משולבת (IDE‏) מבוססת-Eclipse מקלים על התכנות.

ה-FUSB15101 משלב מעבד +M0‏ ®Cortex‏ ®Arm‏ עם נצילות גבוהה, ממשק UART ותומך במפרט PPS, ומייצב את מתח היציאה מ-3.3 עד 21 וולט. הוא מציע ייצוב מתח קבוע (CV) וזרם קבוע (CC) ניתנים-לתכנות עם קיזוז עבור הפסדי הכבל. קיימות גם פונקציות הגנת מתח-יתר, תת-מתח, זרם-יתר וטמפרטורת-יתר, כמו גם דיודות הגנת מתח-יתר על פיני מחבר USB-C. בקר ה-PD תומך במתח _CONN‏V‏ עבור שבבי ה-E-Marker בכבלי EMCA, בעוד שאופני שינה ולא-פעיל שלו עומדים בדרישות אישור תאימות (CoC) ותכנון ניסויים (DOE‏).

יישומים טיפוסיים כוללים:

• מתאם AC/DC תואם USB PD (ראו יישום 1)
• נקודות-חיבור DC/DC תואמות USB PD (ראו יישום 2)

יישום 1: ספק כוח ממותג AC/DC הכולל יציאת USB PD

ביישום זה, בקר USB PD‏ FUSB15101 מבקר את המייצב הממותג Flyback‏ קוואזי-תהודתי (QR‏) NCP1345Q02D1R2G‏ בצד הראשוני של ספק-הכוח הממותג AC/DC‏ דרך מצמד אופטי. ה-NCP1345 פועל מהספקת-כוח של 9 עד 38 וולט מליפוף עזר של השנאי, תוך שימוש בליפוף עזר שני ליצירת מתח הגבוה פי ארבע על מנת לספק די מתח מיתוג עבור MOSFET במתחי יציאת USB נמוכים של 3.3 וולט. בצד השניוני, בקר NCP4307AASNT1G מבקר את היישור הסינכרוני. שילוב של שלושת ה-IC מניב הספקת-כוח עם היענות מהירה המשיגה בעקביות נצילות של כ-90% על פני פרופילי הספקת-הכוח השונים של ה-PD.

איור 3 מציג את תרשים המעגל העיקרי של מטען רשת החשמל USB-C PD 3.0 PPS המבוסס על שלושת ה-ICs ומספק 65 ואט (20 וולט / A‏ 3.25‏).

איור 3: בפתרון זה עבור מטעני קיר USB PD, ה-FUSB15101 מבקר מייצב ממותג Flyback‏ QR‏ NCP1345 בצד הראשוני של ספק הכוח הממותג AC/DC באמצעות מצמד אופטי. (מקור התמונה: onsemi‏)

המתכנתים מתחילים יישום הספקת-הכוח USB PD משלהם באמצעות לוח ההערכה NCP1342PD65WGEVB‏ של onsemi, המוצג באיור 4.

איור 4: באמצעות לוח הערכת מטען קיר NCP1342PD65WGEVB USB-C PD 3.0, המתכנתים יכולים להתחיל בעבודתם מייד. (מקור תמונה: onsemi‏)

משנק האחסון של לוח זה, בצורת שנאי RM8 קומפקטי, מספק 60 וואט (20 וולט/A‏ 3‏) של הספק יציאה. מייצב ממותג Flyback‏ קוואזי-תהודתי NCP1342BMDCDD1R2G פועל ב-9 עד 28 וולט מליפוף עזר אחד בלבד. מתאים עבור פיתוח ממירי הספקת-כוח מרשת-החשמל בעלי ביצועים גבוהים ומתאמי USB PD, הוא כולל Foldback‏ תדר מהיר (RFF‏) עבור נצילות משופרת על פני תחום העומסים. קבל פריקה אקטיבי משולב X2 מבטל את הצורך בנגדי פריקה ומאפשר צריכת הספק של פחות מ-40 מיליוואט (mW) ללא עומס.

יישום 2: בקר זרם DC/DC עבור נקודת-חיבור USB PD

ביישום זה, בקר USB PD‏ FUSB15101 דוחף את בקר ממיר DC/DC‏ מוריד/מעלה-מתחBoost‏/Buck‏ עם ארבע דרגות NCV81599MWTXG. זה מאפשר להרחיב את נקודת-החיבור USB-C, אשר אחרת מוגבלת ל-15 וואט, למקור מתח PD המספק יותר מ-60 וואט באמצעות ספק כוח DC פנימי של ההתקן או סוללה (איור 5).

איור 5: ביישום בקר זרם נקודת-חיבור DC/DC זה, ה-FUSB15101 מבקר את בקר ממיר DC/DC ארבע-דרגות NCV81599 ישירות. (מקור התמונה: onsemi‏)

המפתחים יכולים לחסוך זמן ולהתחיל לבדוק ולתכנת מייד עם ה-NCV81599 באמצעות לוח ההערכה FUSB3307MPX-PPS-GEVB‏. מעגל מייצב זרם DC/DC ממיר את נקודת-חיבור USB‏ למקור זרם PD 3.0 PPS, המספק עד A‏ 5‏ במתחי אפיק מ-3.3 עד 21 וולט (איור 6). המעגל מסוגל לגלות כבלי E-Marker וניתן להפעילו כעצמאי או כמחובר לציוד בדיקה.

איור 6: ה-FUSB3307MPX-PPS-GEVB הוא לוח הערכה עבור ה-NCV81599 ההופך את יציאות ה-USB למקור מתח PD 3.0 PPS. (מקור התמונה: onsemi‏)

ספק כוח DC או סוללה מספקים את כניסת _BATV‏ של לוח FUSB3307 עם 4.5 עד 32 וולט. המעגל מטפל בייצוב מתח קבוע (CV) או זרם קבוע (CC) ויש לו הגנה מפני מתח-יתר, תת-מתח, קצר חשמלי, טמפרטורת-יתר ומצבי תקלות כבלים.

תכנות ה-FUSB15101

קושחת ה-FUSB15010 היא דוחף בקר Type-C PD ממוטב ביותר התומך במעבד המשולב +Arm Cortex M0‏. לקושחה יש את הגמישות לטפל בהודעות PD חדשות כמו גם בזרימות סטטוס Type-C נוספות. הקוד מאורגן בצורה מודולרית, ומפריד בין קוד המקור של האפליקציה, שכבת אבסטרקציה בחומרה, קוד תלוי-פלטפורמה ופונקציות ליבה USB Type-C PD.

פונקציות הליבה של PD ניתנות-להגדרה באמצעות אפשרויות מבנה הפרויקט או על ידי שינוי קובץ פרטי היצרן"vif_info.h". בסיס הקוד כולל פרויקט לדוגמה של Eclipse שניתן לקמפל באמצעות ה-IDE, ומאפשר אתחול מהיר יותר עבור הערכת הבקר העצמאי Type-C PD.

טבלה 1 מסכמת את פרופילי ה-PD הנתמכים על ידי ה-FUSB15101‏; ה-PDO‏ הוא אובייקט של העברת הספק (PD‏).

טבלה 1: מוצגים פרופילי PD הנתמכים על ידי ה-FUSB15101. (מקור הטבלה: onsemi‏)

כאמור, ניתן לשנות את הפרמטרים של פרופיל טעינה בקלות רבה בקובץ "vif_info.h". הקוד הבא מראה כיצד לשנות את הזרם המקסימלי ב-PDO 4 מ-A‏ 3‏/20 וולט עד A‏ 3.25‏/20 וולט:

ערכי PDO נוכחיים:

define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV‏#

define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3.00 A‏#

ערכי PDO חדשים:

define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV‏#

define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3.25 A‏#

פרטים נוספים והוראות להתקנת ה-IDE, כמו גם ייבוא קושחה וקומפילציה של הקובץ הבינארי, ניתן למצוא במדריך FUSB15101EVBSPG.

ההתקנה של כלי התכנות וההליך של Flash‏ חד-פעמי מתוארים במדריך למשתמש UM70086-D. מתאם תכנות וניפוי באגים Arm Cortex-M מתאים כדי להקל על הפיתוח הוא ה-8.08.91 J-LINK EDU MINI‏ של Segger Microcontroller Systems‏.

בדיקת תקשורת ה-PD

כדי לוודא את התקשורת בין שני התקני USB PD, המפתחים יכולים להשתמש אנאלייזר פרוטוקולים CY4500 של Infineon Technologies‏, התומך במפרטי USB PD 3.0 ו-USB-C. הוא מבצע בדיקות לא-פולשניות וקולט הודעות פרוטוקול מדויקות על קווי CC. תוכנת הניתוח המשויכת EZ-PD מפרטת את כל ההודעות של דיאלוג בין שני התקני USB PD וכבל EMCA בפירוט (איור 7).

איור 7: תוכנת הניתוח EZ-PD עוקבת אחר הדיאלוג בין שני התקני USB PD על קווי ה-CC. (מקור התמונה: Infineon Technologies)

סיכום

אמנם חשוב להבין את היסודות של פרוטוקול ה-USB PD כדי להתאים את התכנים לעמידה בצורכי הספקת-הכוח העולים של התקני משתמשי קצה, אך זהו פרוטוקול מורכב שיכול לדרוש תכנות נרחב. כדי לחסוך זמן, המפתחים יכולים להשתמש בבקרי USB PD מתוכנתים-מראש ומשולבים ביותר כדי להגביר את הספק USB-C של 15 וואט ליותר מ-100 וואט. ניתן לשפר את מטעני USB AC/DC, כמו גם נקודות-חיבור USB DC/DC, עם פונקציונליות PD מותאמת-במיוחד פשוט על ידי הגדרת התצורה של בקר ה-PD. השימוש בלוחות הערכה ואנאלייזר פרוטוקולים PD מקל על תהליך הפיתוח.