בקרי USB PD 3 Sink מספקים כוח ליישומי USB Type-C‏

החלון נסגר במהירות על מטעני מכשירים קנייניים, כשרגולטורים אזוריים עוברים לדרוש פתרון טעינה משותף מבוסס על כבל ומחבר ®USB Type-C סטנדרטי. מתכנני מוצר במירוץ להקדים את הדרישות האזוריות כדי לעמוד בתקן זה יכולים למטב את היישומים שלהם לעידן חדש זה על ידי אימוץ בקרי התקן נטען (sink) ‏(PD) ‏‏USB Power Delivery שמנהלים משא ומתן על אספקת כוח בין התקנים ומטענים.

אחרי דצמבר 2024‏, באיחוד האירופי, כל מכשיר נטען חוטית הדורש עד W‏ 100‏ (מחשבים ניידים פטורים זמנית מהמנדט עד 2026) חייב להשתמש לטעינה‏ בכניסת USB Type-C התואמת עם מפרטי USB PD‏. מנדטים אחרים לאימוץ אותו סטנדרט יכנסו לתוקף ב-2025 בהודו וערב הסעודית, ובהמשך ב-2026‏ בקליפורניה.

USB Type-C לבדו יכול לספק רק ‎5 V ב-‎3 A‏, בהספק כולל של ‎15 W‏. להשגת W‏ 100‏ דרוש מפרט USB PD 3.0 או USB PD 3.1, מה שמבטיח שמחברי Type-C יוכלו לנהל משא ומתן על מתחים גבוהים יותר, תוך כדי גם העברת נתונים במהירות גבוהה.

USB PD 3.0 תומך באספקה עד ‎100 W ומתחים קבועים של 5‎ V,‏ ‎9 V,‏ ‎15 V ו-‎20 V, עם זרם מקסימלי של ‎5 A. המפרט המעודכן USB PD 3.1 מתאפיין‏ בתחום הספק מורחב (Extended Power Range‏ (EPR)‏) ואספקת מתח מתקדמת (Advanced Voltage Supply‏ (AVS)), הגדלת הספק היציאה עד ‎240 W‏ והוספת שלושה מתחים קבועים חדשים של‏ ‎28 V‏, ‎36 V ו-‎48 V.

מפרטי ה-USB PD 3.x משפרים גרסת PD 2.0 קודמת עם עלייה בכמות המידע המוחלף בין התקן נטען (sink) (ההתקן המקבל אספקת-כוח) ומקור (source) (ההתקן המספק אספק-כוח) כדי לכלול גורמים שיכולים להשפיע על היישום, כגון מצב הטעינה של סוללת ההתקן, טמפרטורת סוללה, תקלות ומתח-יתר.

הספק ה-W‏ 100‏ המסופק באמצעות USB PD 3.0 מספיק כדי לטעון מחשבים ניידים מסוימים, צגים ואפילו מכשירי טלויזיה מסוימים. USB PD‏ תומך גם ביציאות וידאו ואודיו, כולל DisplayPort‏ ו-HDMI‏, ופרוטוקולים של העברת נתונים כגון Thunderbolt 3‏.

אספקת יישומים משופרים

מתכנני מוצרים יכולים להפיק תועלת מ-USB PD 3.x כדי לספק למשתמשים חוויה טובה יותר עם טעינה והעברת נתונים מהירות יותר, ותאימות התקנים עם כבל ומחבר יחיד. הם יכולים לתבוע את הפחתת הפסולת האלקטרונית שמצטברת משימוש צרכני ועסקי‏ של כבלים ומטענים מרובים לטעינת מכשירים מרובים.

הטכנולוגיה מאפשרת למתכננים לפשט תכנים עם פחות נקודות-חיבור ורכיבים. נוסף לכך, הם עשויים להיות מסוגלים להקטין עלויות ייצור ומשלוח על ידי הורדת המשקל ואי הוספת אריזות של מטענים, כמו גם את הזמן והמאמץ הדרושים לעדכן מטענים חדשים ספציפיים-להתקן.

על ידי שימוש בכבל‏ ומחבר יחיד עבור פונקציות מרובות, מתכננים יכולים להתמקד ביצירת יישומים חדשים ומשופרים הממנפים את ההספק וקצבי הנתונים הגבוהים של‏ USB Type-C PD. הם יכולים גם לשפר את חוויית המשתמש והפונקציונליות של המוצרים שלהם עם מאפיינים נוספים כגון תחנות עגינה, רכזות וממירים המרחיבים את החיבוריות והתאימות של‏ התקנים.

בפיתוח יישומים חדשים באמצעות USB PD 3.0, מתכנני מוצרים מתמודדים עם אתגרים מסוימים, כגון הקפדה על מפרט ה-USB PD והבטחת יכולת פעולה הדדית עם התקנים ומטענים אחרים.

מניעת נזק או פציעה ממתח-יתר, זרם-יתר או קוטביות הפוכה היא בעיה‏ קריטית נוספת, במיוחד מכיוון שפתרונות המשתמשים בטכנולוגיה זו משתמשים במעגלים וקושחה מורכבים יותר מדורות קודמים. עוזרים להתגבר על אתגרים כאלה הם בקרי אספקת כוח התומכים במספר פרוטוקולים ותצורות, ולוחות הערכה המאפשרים בנייה מהירה של אב-טיפוס ובדיקה.

הפעלת USB Type-C PD

המפתח ל-USB PD 3.0 הוא היכולת לנהל משא ומתן ולנהל אספקת כוח בין התקן נטען (sink)‏ ומקור‏ אספקת כוח תוך שימוש בפרוטוקול סטנדרטי. בקרי התקן נטען (sink)‏ USB PD מנהלים משא ומתן עם מקור (source)‏ USB PD‏, לדוגמה‏ מטען, כדי לידע מה פרופיל הכוח של ההתקן. התקנים תואמים יכולים לבקש ולספק מתחים וזרמים שונים בהתאם לצרכים וליכולות שלהם ולכוונן באופן דינמי את רמות אספקת הכוח במהלך הפעולה.

תהליך המשא ומתן והניהול של אספקת הכוח מורכב מארבעה שלבים:

• גילוי (Discovery)‏ מתרחש כשההתקן הנטען (sink) והמקור (source) מזהים אחד את השני כהתקנים תואמים USB PD‏ ויוצרים ערוץ תקשורת נתונים דרך פיני ערוץ התצורה (CC) במחבר ה-USB Type-C‏.
• החלפת יכולות (Capability exchange) היא כשהמקור (Source) נותן לזהות את פרופילי אספקת הכוח שלו, רמות מתח וזרם, להתקן הנטען (Sink), שמבקש אחר כך פרופיל המתאים לדרישותיו.
• חוזה אספקת-כוח (Power contract) הוא תהליך בו המקור מקבל או דוחה את בקשת ההתקן הנטען (sink). אם מוסכם, המקור מתחיל לספק להתקן הנטען (sink) את הכוח המבוקש תוך שימוש בפרמטרי אספקת-הכוח המוסכמים.
• עדכון כלל אספקת-הכוח (Power rule update) מאפשר להתקן הנטען (sink) או למקור ליזום משא ומתן חדש על אספקת הכוח כדי להתאים לשינויים ברמות הסוללה או העומס על ההתקן הנטען, או שינויים בכניסת האספקה של המקור.

USB PD 3.0 משתמש במסרים מורחבים המסדירים את חילופי המידע בין הקולט והמקור, כגון מצב סוללה, טמפרטורה או נתוני יצרן ספציפיים. הוא גם תומך במצב אספקת כוח ניתן לתכנות (PPS) המאפשר בקרה עדינה יותר של מתח וזרם היציאה של המקור, והחלפה חלקה של תפקידי אספקת הכוח בין ההתקן הנטען (sink) למקור מבלי לשבש תקשורת נתונים.

יכולת מפתח אחרת של USB PD 3.0‏ היא טעינה הפוכה, שמאפשרת‏ להתקן עם קיבולת סוללה גבוהה יותר לטעון‏ התקן עם קיבולת סוללה נמוכה יותר, ללא קשר לתפקידי אספקת הכוח שלהם. כך, לדוגמה, תוך שימוש באותו כבל USB Type-C‏, מחשב נייד יכול לטעון‏ סמארטפון, או אותו סמארטפון יכול לטעון‏ מערכת-ראש, יתרון ברור למשתמשי התקנים היכולים לשאת כבל אחד לטעינת התקנים מרובים.

טעינה הפוכה יכולה להיות בלתי תואמת לכל ההתקנים או המטענים. נוסף לכך, טעינה הפוכה עלולה לגרום לחיי סוללה קצרים יותר של ההתקן המתפקד כמקור ולהגדיל את המורכבות והעלות של תכנון המעגל. כך, כמו עם כל היישומים האלקטרוניים, מתכנני מוצרים חייבים לשקול את הפשרה של מימוש טעינה הפוכה כדי לוודא שהם עומדים במפרטי USB PD 3.x, ולבדוק יכולת פעולה הדדית עם מגוון התקנים ומטענים.

בקרי התקן נטען (sink) ‏USB 3

כדי לאפשר פונקציונליות USB PD 3.x בהתקנים שלהם, מתכנני מוצרים יכולים להשתמש בבקרי התקן נטען (sink) ייעודיים התומכים בפרוטוקול ומטפלים בתקשורת עם התקן המקור.

Diodes Incorporated מציעה פתרונות משולבים ביותר ומשתלמים המספקים טעינה מהירה, טעינה הפוכה, מצב PPS ומאפיינים אחרים של USB PD 3.x. הם גם תומכים בפרוטוקולים מדורות קודמים כגון +Qualcomm Quick Charge 4 ו-Huawei FCP/SCP‏, תוך הבטחת תאימות עם מגוון רחב של‏ מטענים ומתאמים.

ה-AP33771 (איור 1‏) הוא בקר‏ USB PD 3.0 הכולל קושחה תואמת USB PD 3.0 וממשק עם תפריט אספקת כוח‏ טעון-מראש, העושה אותו פשוט יותר לשימוש. הוא מספק ערוץ יציאה אחד היכול לספק הספק של עד W‏ 27‏.

איור 1‏: הקצאות הפינים של‏ בקר התקן נטען (sink) ‏AP33771. (מקור תמונה: Diodes Incorporated)

ה-AP33772 (איור 2‏) הוא בקר‏ USB PD 3.0 המשתמש בממשק I²C‏ וקושחה מובנית כדי לשאת ולתת על הספק ומתח. זה מספק למתכננים גמישות גדולה יותר ליישם את כל פונקציות PD של התקן נטען (sink). הוא גם מציע שני ערוצי יציאה היכולים לספק הספק של עד 45‎ W, ויש לו מעגל הגנה מפני מתח-יתר‏ (OVP‏) מובנה לכל ערוץ, שיכול למנוע נזק להתקן במקרה של מטען או כבל תקול.

איור 2‏: בקר התקן נטען (sink)‏ AP33772 של Diodes בא באותו גודל מארז כמו ה-AP33771, אך עם הקצאות פינים שונות. (מקור תמונה: Diodes Incorporated)

Diodes מציעה גם בקר התקן נטען (sink) ‏USB PD 3.1, ה-AP33771C, התומך ב-EPR/AVS עד 28‎ V ו-Standard Power Range (SPR)/PPS עד 21‎ V.

כל אחד מבקרים אלה מספק צריכת הספק המתנה נמוכה, נצילות גבוהה ומאפייני הגנה תרמית. הם זמינים במארזים עם חתימת-שטח קטנה W-QFN4040-24‏ (4 מ"מ x‏ 4 מ"מ), מה שעושה אותם מתאימים עבור התקנים קומפקטיים ונישאים.

נוסף לכך, Diodes מציעה שני לוחות הערכה עבור בקרי ה-USB PD 3.0 שלה. ה-AP33771-EVB וה-AP33772-EVB מתוכננים שניהם עבור יישומי טעינה תוך שימוש בהתקן מצוייד במחבר‏ Type-C‏ ומטען או מתאם PD מצוייד במחבר Type-C‏. ה-AP33771-EVB משתמש בהגדרת נגד פשוטה עבור משא ומתן עם USB-PD, בעוד ה-AP33772-EVB משתמש ב-I²C‏.

סיכום

USB Type-C נמצא בדרכו להפוך לתקן העולמי לחיבוריות נתוני התקנים. פרוטוקולים USB PD 3.x מציעים למתכנני מוצרים מסלול ליצירת יישומים המספקים הספק גבוה יותר, טעינה מהירה יותר והעברת נתונים טובה יותר עבור ההתקנים שלהם תוך שימוש במחברים וכבלים מקובלים גלובלית, מבטלים את הצורך במטענים ספציפיים להתקן. עם פתרונות של Diodes Incorporated, מתכנני מוצרים יכולים לשלב בקלות USB PD 3.0 או PD 3.1 בהתקנים שלהם כדי לשפר ביצועים ואת חוויית המשתמש.