השימוש בבקר טעינה USB-C כדי לממש במהירות טעינה מהירה ללא קושחה

המגמה לעבר צגים גדולים יותר, ביצועים משופרים וקצב העברת נתונים גבוה יותר בסמארטפונים 5G מניעה את הצורך בקיבולת סוללה גדולה יותר עם יכולת טעינה מהירה. האתגר של המתכננים הוא מעל ומעבר לשיטות הטעינה הקונבנציונליות המכניסות נצילות נמוכה העלולה לגרום להתחממות-יתר ברמות ההספק הנדרשות, כדי לעמוד בציפיות הצרכנים הדורשים טעינה יותר ויותר מהירה.

הבאת יכולת הספקת-כוח ניתנת-לתכנות (PPS) ל- Power Delivery‏ (PD‏) 3.0 באמצעות ®USB Type-C‏ (USB-C‏) מסייעת לספק פיתרון אפקטיבי, אך פיתוח הקושחה הנדרשת עלול עדיין לעכב את הספקת המוצר.

מאמר זה מתאר את הבעיות הקשורות לטעינה מהירה של טלפונים 5G וכיצד PPS‏ PD 3.0‏ USB-C‏ יכול לעזור למתכננים לעמוד ביעילות בדרישות לטעינה מהירה יותר ויותר של סוללות גדולות יותר. לאחר מכן הוא מציג ומראה כיצד מפתחים יכולים להשתמש בבקר USB-C מבית ON Semiconductor משולב ביותר המממש USB-C PD 3.0 PPS במכונת מצבים-סופיים (FSM‏). זה חוסך את הצורך בפיתוח קושחה, ובכך מאיץ מימוש של טעינה מהירה עבור המטענים של הדור-הבא.

סמארטפונים רבי-עוצמה מציגים אתגרים חדשים למתאמי טעינה מהירה

סמארטפונים 5G יהוו למעלה מ- 50% מכלל משלוחי הסמארטפונים עד שנת 2023, לדברי אנליסטים של השוק. עם זאת, בשימוש בטלפונים אלה כדי לנצל את שירותי 5G, המשתמשים יגלו כי הבסיס הקיים של מטענים ותחנות טעינה לטלפונים אינו מתאים לדרישות הטעינה המהירה של דור חדש זה של סמארטפונים.

כפי שכבר נראה בטלפונים 5G כמו Samsung S20 Ultra 5G, התקנים מתוחכמים אלה מציעים צגים גדולים יותר, כמו גם יכולת עיבוד מוגברת ותפוקת נתונים גדולה בהרבה מזו הקיימת בטלפונים מהדור הקודם. כדי להתאים את הצגים הגדולים שלהם ואת צריכת ההספק הגבוהה יותר בהתאם, טלפונים 5G קיימים כבר כוללים סוללות גדולות יותר. לדוגמה, ה- Samsung S20 Ultra 5G כולל צג בגודל 6.9 אינץ' ומשלב סוללה של 5,000 מיליאמפר-שעה (mAh) - קיבולת גדולה יותר ב- 25% לעומת הדגם הקודם.

בעוד הצרכנים מצפים לחיי סוללה ארוכים יותר עם סוללות בעלות קיבולת גדולה יותר, הם גם מצפים שזמן הטעינה יהפוך לקצר עוד יותר - ולא ארוך יותר ב- 25%. עבור יצרנים המעוניינים לענות על הביקוש הגובר לתחנות טעינה ברכבים, בתים ומשרדים, הצורך בקיצור זמן הטעינה של סוללות בעלות קיבולת גבוהה יותר הופך לאתגר משמעותי לנוכח המגבלות בסוללות עצמן.

יצרני סוללות ליתיום-יון (Li-ion) מגדירים ספים מחמירים עבור זרם ומתח הטעינה. סוללת ליתיום-יון קונבנציונלית המדורגת ל- 1,000 מיליאמפר/שעה, מדורגת בדרך כלל לקצב טעינה של C‏ 0.7, או זרם טעינה של mA‏ 700‏. מיושם לסוללה מרוקנת לגמרי של mAh‏ 5,000, קצב טעינה של C‏ 0.7 (או זרם טעינה של mA‏ 3,500) ידרוש כ- 45 דקות רק כדי להגיע למצב טעינה של 50%.

טכנולוגיות תא סוללות מתקדמות יותר יכולות לתמוך בקצבי טעינה גדולים יותר מ- C‏ 1, אך הן המטען והן ההתקן הנטען צריכים להתאים לרמות הספק גבוהות יותר בהרבה. לדוגמה, סוללה של mAh‏ 5,000 הנטענת בקצב גבוה יותר של C‏ 1.5 תדרוש רק כ- 22 דקות לטעינה מ- 0% עד 50%, אך זרם הטעינה של 7.5 אמפר (A) עלול לגרום למאמץ-יתר על הרכיבים וליצור עומס תרמי חריג אפילו במערכות טעינה עם נצילות גבוהה ביותר. למעשה, עם האימוץ הנרחב של USB-C כממשק הסטנדרטי בתעשייה עבור הספקת-כוח ופונקציונליות אחרת, מטען תואם יהיה מוגבל בזרם המקסימלי שהוא יכול להעביר על פני כבל USB-C. הזרם המקסימלי הוא A‏ 5‏ עבור כבלי USB-C‏ הכוללים המעגל-המשולב (IC‏) E-Marker‏ המספק מידע להתקנים המחוברים. (עבור כבלים ללא-E-Marker‏, הזרם המקסימלי הוא A‏ 3‏).

יצרני התקנים ניידים יכולים כמובן להתגבר על מגבלה זו על ידי הכנסת משאבת טעינה בין כניסת ההספקה לבין מעגל טעינת הסוללה. כדי לתמוך במערכת טעינה של A‏ 7.5, לדוגמה, מתאם לנסיעות יכול לספק 10 וולט ב- A‏ 4‏ ולהסתמך על משאבת טעינה טיפוסית של חלוקה-בשניים כדי להפיק 5 וולט עם בערך A‏ 8‏ למעגל הטעינה. גישה זו מאפשרת למתאם לנסיעות להגדיל את מתח ה- USB-C‏ (VBUS) תוך שמירה על רמת זרם תואמת-USB-C.

הספק טעינה מוגדל דורש בקרה יעילה יותר

תמיכה ברמות VBUS הגדולות מ- 5 וולט אפשרה את השימוש בגישה זו של מתח גבוה וזרם נמוך. מפרט USB PD 2.0 מגדיר סדרה של אובייקטי העברת הספק (Power Delivery Objects‏, או PDO) קבועים המגדירים צירופים של רמות קבועות של מתח (5, 9, 15 ו- 20 וולט) וזרם (A‏ 5‏ או A‏ 3‏).

למרות שאובייקטי PDO קבועים של USB PD 2.0 מאפשרים הספק טעינה גבוה יותר, הגדרת מתח וזרם הטעינה ברמות קבועות גבוהות או נמוכות מדי עלולה לגרום לטעינה לא-יעילה, עומסים תרמיים חריגים ומאמץ-יתר על הרכיבים. באופן מעשי, מעגלי טעינה פועלים בנצילות אופטימלית כאשר מתח הכניסה שלהם (המסופק על ידי ה- USB-C VBUS) הוא מעט מעל מתח היציאה שלהם (מתח הסוללה). אולם כיוון שמתח הסוללה משתנה ללא הרף במהלך פעולה רגילה, שמירה על נקודת נצילות טעינה אופטימלית זו מהווה אתגר. ככל שהסוללה מתרוקנת, ההפרש בין מתח הסוללה למתח הטעינה של ה- (USB-C (VBUS יגדל ויקטין את נצילות הטעינה. ולהפך, כאשר הסוללה הופכת לטעונה, מעגל הטעינה יצטרך להפחית את זרם הטעינה כדי להגן על הסוללה.

ללא היכולת להקטין ישירות את רמות הטעינה שמספק המתאם לנסיעות, פיזור ההספק יגדל והנצילות תקטן תוך יצירת חום. כתוצאה מכך רמת הטעינה האופטימלית משתנה ללא הרף, לעתים קרובות בכמויות אינקרמנטליות, ודורשת רמת בקרה אינקרמנטלית מתאימה על מתח וזרם הטעינה כדי להשיג נצילות מקסימלית.

כיצד USB-C PD 3.0 PPS משפר את הנצילות

מתוכנן לענות על הצורך הגובר בטעינה יעילה יותר בהספק טעינה גבוה יותר, יכולת ה- USB 3.0 PPS מאפשרת להתקן הנטען (הקולט) לדרוש מהמטען (המקור) להגביר או להפחית את מתח וזרם הטעינה בצעדים של mV ו- mA המפורסמים באובייקטי PDO רבודים. באמצעות יכולת זו, הקולט יכול לכוונן את מתח וזרם המקור שלו כדי למטב את נצילות הטעינה.

הכנסת ה- PPS משנה דרמטית את האופן שבו פועל תהליך הטעינה. בעבר מטען המקור גם ביקר וגם ביצע את אלגוריתם הטעינה. עם PPS, בקרת אלגוריתם הטעינה עוברת לקולט, ומחייבת שהמקור יבצע את האלגוריתם לפי הוראות הקולט.

עם PPS, טלפון חכם או קולט אחר מתקשר עם מקור הטעינה כדי למטב את העברת ההספק, תוך הגעה ל"חוזה" העברת הספק (PD) בהסכמה הדדית באמצעות פרוטוקול משא ומתן, הכרוך בהחלפת מסרים קצרה כדלקמן:

1. המקור מגלה אם הכבל המחבר מסוגל להעביר A‏ 5‏
2. המקור מפרסם את מתח המקור שלו ואת יכולות הזרם המתוארות בעד שבעה אובייקטי PDO‏
3. הקולט דורש את אחד מאובייקטי PDO המפורסמים
4. המקור מקבל את ה- PDO‏ הנדרש
5. המקור מספק כוח ברמת המתח והזרם המוסכמת

התקנים ניידים מתקדמים כמו טלפונים 5G של Samsung שהוזכרו קודם לכן משתמשים ביכולת זו כדי לספק טעינה מהירה באמצעות מטענים תואמים. עבור יצרנים המתכננים מתאמים לנסיעות עם טעינה מהירה ובונים תחנות טעינה לתוך מוצרים אחרים, מימוש פרוטוקול טעינה מסוג זה ידרוש בדרך כלל פיתוח קושחת בקר שתוכל לבצע את הפרוטוקול ולהפעיל התקני כוח קשורים. עם זאת, עבור תקן מבוסס כמו USB-C PD PPS, פתרון FSM מציע חלופה יעילה, החוסכת את הצורך בפיתוח קושחה שיכול לעכב את מסירת המוצר הסופי. באמצעות מימוש FSM של USB-C PD 3.0 הכולל PPS, בקר טעינת מקור אדפטיבי FUSB3307‏ מבית ON Semiconductor מזרז את פיתוח המטענים המסוגלים לעמוד בדרישות הטעינה המהירה של סמארטפונים של הדור-הבא והתקנים ניידים אחרים עם סוללות בעלות קיבולת גבוהה.

בקר משולב עבור מטענים מהירים תואמי USB-C PD 3.0

ה- FUSB3307 מבית ON Semiconductor הוא בקר מקור הספקת-כוח משולב המאפשר מימוש של USB-C PD 3.0 PPS ללא צורך במעבד חיצוני. לצד גילוי כבלים, דוחף שער עומס, מספר מאפייני הגנה וייצוב מתח קבוע (CV) וזרם קבוע (CC), ההתקן משלב את שכבות ה- PD 3.0 Device Policy Manager‏, Policy Engine‏, פרוטוקול וה- PHY השלמות בחומרה.

מתוכנן לתמוך במטעני AC/DC ו- DC/DC גם יחד, ה- FUSB3307 יכול לספק סט שלם של תגובות המתאימות למקור הספקת-כוח PD‏. כתוצאה מכך המתכננים יכולים לממש מקור הספקה תואם USB-C PD 3.0 עם ה- FUSB3307 ויחסית מעט התקנים ורכיבים נוספים.

כאשר הוא מחובר לקולט, ה- FUSB3307 יגלה אוטומטית את יכולות ההתקן הקולט וכבל החיבור ויפרסם את יכולותיו בהתאם למפרט USB-C. כאשר הקולט מגיב בבחירת אובייקט PDO‏ נתמך, ה- FUSB3307 יאפשר את מעגלי ה- VBUS ובקרת הספקת-הכוח כדי להבטיח שרמות מתח וזרם הטעינה הנדרשות יסופקו לקולט.

מכיוון שה- FUSB3307 משלב מערך מלא של פונקציונליות בקרה, עקרונות הפעולה הבסיסיים נותרים זהים בעיקרון עבור מטעני AC/DC ו- DC/DC‏ גם יחד. בתגובה לפקודות מהקולט, ה- FUSB3307 שבמקור משתמש בפין היציאה CATH‏ שלו כדי לדחוף אות בקרת משוב לדרגת הספקת-הכוח של המקור. במהלך פעולות הטעינה, ה- FUSB3307 עוקב אחר מתח הטעינה באמצעות פין VFB שלו ואחר זרם הטעינה שהתגלה על פני נגד החישה באמצעות פינים -IS+/IS שלו. רמות מנוטרות אלה מועברות בתורן למעגלי שגיאת חוגי מתח וזרם פנימיים הקשורים לפיני המתח (VFB‏) והזרם (IFB‏). אותות אלה בתורם מבקרים את פין CATH עבור בקרות CV ו- CC‏. פינים אחרים במארז Small Outline Integrated Circuit‏ (SOIC‏) עם 14 פינים של ה- FUSB3307 תומכים בדוחף שער העומס, ממשק מחבר USB-C ומאפייני ההגנה.

בקר המקור FUSB3307 מפשט את תכן המטען

התכנים עבור כל סוג מטען ישתמשו כמובן בתצורות שונות עבור יציאת CATH הראשונית, כניסת VFB ופינים אחרים. במטען קיר AC/DC או במתאם AC/DC, ה- FUSB3307 ינטר את המתח והזרם בצד השניוני וידחוף משוב בקרה לצד הראשוני (איור 1).

איור 1‏: בתכן AC/DC‏ עבור מטען או מתאם קיר, ה- FUSB3307‏ מגיב לפקודות מההתקן הקולט עבור מתחי טעינה שונים על ידי בקרת בקר ה- PWM דרך מצמד-אופטי מבודד. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

בתכן מטען זה, פין היציאה CATH של ה- FUSB3307 יתחבר בדרך כלל לקתודה של מבדד אופטי בצד השניוני כדי לספק אות בקרת משוב לבקר אפנון רוחב פולס (PWM) בצד הראשוני, כגון ה- NCP1568‏ מבית ON Semiconductor. בצד השניוני, כניסות המתח וחישת הזרם של ה- FUSB3307 ינטרו את היציאה מבקר מיישר סינכרוני, כגון ה- NCP4308‏ מבית ON Semiconductor.

בתכן מטען DC/DC‏ המשמש ביישומים בכלי-רכב, לדוגמה, ה- FUSB3307‏ מבקר ישירות את בקר ה- DC/DC‏. כאן, אות המשוב CATH של ה- FUSB3307 מחובר לפין הקיזוז (COMP‏) של בקר DC/DC כגון ה- NCV81599‏ מבית ON Semiconductor (איור 2).

איור 2‏: בתכן מטען DC/DC‏ עבור מטען במכונית, ה- FUSB3307‏ מבקר ישירות את מתח היציאה של בקר DC/DC‏, תוך העלאת או הורדת היציאה בהתאם לפקודות מהקולט, כגון טלפון 5G‏ או התקנים ניידים אחרים. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

חברת ON Semiconductor מממשת תכן מטען DC/DC‏ ספציפי זה בלוח ההערכה FUSB3307MX-PPS-GEVB‏ עבור ה- FUSB3307. מתוכנן לפעול מספק-כוח DC‏ יחיד, הלוח מספק מקור טעינה שלם התואם ל- USB PD 3.0 עם PPS, ומספק זרם של A‏ 5‏ (מקס') ברמות VBUS מ- 3.3 וולט מינימום של התקן ועד למקסימום של 21 וולט.

לוח ההערכה מאפשר למפתחים לבחון את האינטראקציה של ה- FUSB3307 עם התקני USB 3.0 תואמים, כמו גם עם התקני USB 2.0 מהדורות הקודמים. המפתחים יכולים להתחיל מידית לבחון את תהליך הטעינה המהירה על ידי ניטור מתח VBUS והזרם המועבר על ידי הלוח להתקן עם יכולת USB-C PD כגון מחשב נייד או טלפון חכם.

גישה זו מציעה תובנה מיוחדת ליכולתו של ה- FUSB3307 לקיים אינטראקציה עם טלפון USB PD 3.0 5G מן-המדף, כמו גם לשימוש של הטלפון בפרוטוקול USB PD 3.0 PPS כדי למטב את מתח וזרם הטעינה שלו. בהדגמה אחת של יכולת זו ^[1], נמצא שדגם Samsung S20 Ultra 5G‏ מן-המדף הוציא סדרת פקודות ללוח ההערכה FUSB3307MX-PPS-GEVB בכדי לשנות את מתח הטעינה והזרם בצעדים גדולים וקטנים גם יחד. (איור 3).

איור 3‏: לוח ההערכה FUSB3307MX-PPS-GEVB מבית ON Semiconductor מדגים את היכולת של ה- FUSB3307 להגיב לפקודות טלפון 5G מן-המדף כדי לבצע כיוונון-עדין של מתח וזרם הטעינה שלו. (מקור התמונה: ON Semiconductor)

לאחר חיבור הלוח והטלפון בהדגמה זו, הטלפון 5G בוחר את ה- PDO הבסיסי (5.00 וולט ומקסימום 5.00‎ A), כפי שמוצג ב- 10 השניות הראשונות של האיור. בשלב זה, מתח הטעינה (VBUS) הוא 5 וולט והטלפון 5G קולט זרם טעינה של כ- A‏ 2‏ (IBUS‏). לאחר מכן הטלפון 5G דורש PDO‏ מוגדל שמצהיר על יכולת המקור לספק 8 וולט ב- A‏ 4‏. ה- FUSB3307 עונה לדרישה והשינוי הוא מיידי: VBUS קופץ ל- 8 וולט כנדרש וה- IBUS מראה הגדלה הדרגתית כשהטלפון 5G מעלה בהדרגה את זרם ה- IBUS.

לאחר קפיצה חדה זו ב- VBUS, ההגדלה האינקרמנטלית בהספק הטעינה האפשרי עם PPS הופכת לברורה. הטלפון 5G דורש הגדלה של 40 מילי-וולט (mV) ב- VBUS בערך כל 210 מילי-שניות (ms‏), ובכך מעלה בהדרגה את ה- VBUS לרמות גבוהות עוד יותר. כאשר ה- IBUS מגיע ל - A‏ 4‏ (קו ירוק מקווקו באיור), ה- FUSB3307 משתמש בפרוטוקול PPS הסטנדרטי כדי לשלוח הודעת התרעה לטלפון 5G שגבול הזרם הנדרש הושג. הטלפון 5G ממשיך לשלוח דרישות להגדלה נוספת ב- VBUS באינקרמנטים של mV‏ 40‏ , ובסופו של דבר מגיע ל- 9.8 וולט. בשימוש ביום-יום, יכולת טעינת מקור אדפטיבית מסוג זה יכולה להשיג נצילות טעינה מקסימלית הנדרשת לטעינה מהירה ללא התחממות-יתר או פגיעה אחרת בהתקן הקולט.

באמצעות לוח ההערכה FUSB3307MX-PPS-GEVB מבית ON Semiconductor, המפתחים יכולים לבחון מידית את השימוש ב- USB-C PD בהתקנים קיימים, ולהרחיב את תכן הייחוס של הלוח כדי ליישם טעינה מהירה מותאמת-במיוחד ביחידות תואמות USB PD 3.0. והחשוב מכל, המימוש אינו דורש פיתוח קושחה. עם ה- FUSB3307, המפתחים משתמשים בטכניקות הספקת-כוח מוכרות לבניית מתאמים המסוגלים לנצל את מלוא יכולות הטעינה המהירה של טלפונים 5G של הדור-הבא והתקנים תואמים אחרים.

סיכום

בעוד שטלפונים 5G מביאים למשתמשים שפע של יכולות ומאפיינים חדשים, הסוללות בעלות קיבולת גדולה יותר הדרושות לתמיכה בהתקנים אלה גם מאתגרות את המתכננים. במיוחד, עליהם לוודא שמתאמים לנסיעות ותחנות טעינה מספקים טעינה מהירה ללא התחממות-יתר של הטלפון.

עם יכולות USB PD 3.0 PPS תואמות במלואן - וללא הצורך בפיתוח קושחה - בקר הטעינה האדפטיבי FUSB3307 מבית ON Semiconductor מציע פיתרון תכן מיידי. הודות לשימוש בבקר זה בשילוב עם התקני הספקת-כוח מוכרים, המפתחים יכולים לממש במהירות מתאמים המסוגלים לתמוך בבסיס המתרחב במהירות של טלפונים 5G והתקנים ניידים אחרים עם יכולת USB PD 3.0.

סימוכין

1. ההתכנסות של 5G, טעינה מהירה וספקי-כוח ניתנים-לתכנות USB-C