Mouser German Blog

(Quelle: Alexander_Evgenyevich/Shutterstock.com)

Moderne Technologien wie 5G und 4K-Displays erhöhen den Stromverbrauch in tragbaren Geräten – in vielen Fällen weit über 15 W bei Geräten, die mit 2S-Akkus mit hoher Kapazität betrieben werden. Für diese stromhungrigen Geräte ist USB-C Power Delivery (PD) ein echter Vorteil, da sich dadurch die Ladevorgänge beschleunigen lassen und die Geräte ohne lange Ausfallzeiten wieder in Betrieb genommen werden können (Abbildung 1). Viele Anwendungen, die bisher Wechselstromadapter verwendet haben, werden aus Gründen der Bequemlichkeit und Standardisierung auf USB-C PD umgestellt. Für die Entwickler bedeutet die Einhaltung des USB-C-PD-Standards jedoch in der Regel eine komplexe Firmware-Entwicklung und zusätzliche Hardware-Komponenten. Aufgrund des kurzen Abstands und der hohen Spannung (20 V) zwischen den Pins besteht außerdem die Gefahr einer Beschädigung, wenn der Stecker schräg eingesteckt oder abgezogen wird. Daher verlangen sowohl die USB-C- als auch die USB-C-PD-Spezifikationen ganz besondere Fähigkeiten, denn das Design für diese Spezifikationen ist nicht so einfach wie das Design für herkömmliche USB-Varianten.

Consumer-Geräte wie Kameras, AR/VR-Systeme und kabellose Lautsprecher sind die Vorreiter bei der Einführung von USB-C und USB-C PD. Es zeichnet sich jedoch bereits ab, dass Anwendungen im industriellen und medizinischen Bereich die Standards USB-C und USB-PD schnell übernehmen werden, da die Verbraucher den gleichen Komfort in ihrer beruflichen Umgebung fordern. Wir sehen den USB-C-Standard auch in Point-of-Sale-Geräten (POS), Industriescannern und Milchpumpen. Dies sind Produkte, die sich angesichts des Zeitdrucks bei der Markteinführung einen langen Entwicklungszyklus nicht leisten können. In diesem Beitrag geben wir Tipps zur Verschlankung des Entwicklungsaufwands bei USB-C-PD-Designs.

Abbildung 1: USB-C und USB-C Power Delivery bringen den Komfort von schneller Datenübertragung und kurzen Ladezeiten auf tragbare Geräte. (Quelle: Golub Oleksii/Shutterstock.com)

Design-Herausforderungen bei USB-C-Ladesystemen

Mit USB-C und USB-C PD sind Entwickler in der Lage, einen universellen 24-poligen Steckverbinder zu schaffen, der beidseitig steckbar ist und sowohl für die Datenübertragung als auch für die Stromzufuhr geeignet ist. USB-C ermöglicht eine Spannung von 5 V mit bis zu 3 A (15 W), während USB-C PD 3.0 sogar eine Spannung von 5 V bis 20 V mit bis zu 5 A (100 W) liefert. Bei der Entwicklung eines Ladesystems für USB-C sind folgende Punkte zu beachten:

• Signalintegritäts- und Geschwindigkeitsprobleme berücksichtigen
• Anschluss an verschiedene ältere Schnittstellen gewährleisten
• Sicherstellen, dass das Design ein breites Spektrum an Spannungen und Strömen bewältigen kann, einschließlich des Starts mit einer Kaltgeräte-Steckdose (0 V bis zur vollständigen End-to-End-Erkennung)
• Sicherstellen, dass das Ladegerät und der Port-Controller miteinander kommunizieren können, wenn die USB-C-Ladequelle eingesteckt ist
• Erfüllen der Anforderungen an die kleiner werdenden Abmessungen von Produkten, wie z. B. Consumer-Geräten
• Beachten der thermischen Effizienz zur Minimierung des Temperaturanstiegs

Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind in der Regel eine komplexe hostseitige Softwareentwicklung für die Kommunikation mit USB-C oder zusätzliche Bauteile wie externe Feldeffekttransistoren (FETs) und externe Mikrocontroller erforderlich. Es gibt jedoch Ladesystemlösungen, mit denen man diesen Herausforderungen begegnen kann. Ein wichtiges Merkmal ist die Konformität mit den Protokollen, da dies die Design-Implementierung vereinfacht. Einige Lösungen verfügen auch über ereignisbasierte Aktionsskripte, die den Anpassungsprozess vereinfachen. Durch hochintegrierte Schaltkreise lassen sich zu viele diskrete Komponenten vermeiden. Berücksichtigen Sie auch Funktionen, die einen zuverlässigen Betrieb in rauen Umgebungen (z. B. bei schwankenden Temperaturen oder feuchten Bedingungen) gewährleisten.

Eine weitere Überlegung ergibt sich bei der Verwendung von Batterien mit höherer Kapazität, die die leistungshungrigen Endgeräte für längere Laufzeiten benötigen. Der Wechsel von einem 1S- zu einem 2S-Akku erhöht die Kapazität, ohne den Ladestrom zu erhöhen. Da die USB-C-Technologie Eingangsspannungen zwischen 5 V und 20 V unterstützt und 2S- oder 3S-Akkuspannungen irgendwo dazwischen liegen, lässt sich die Lücke mit einem Abwärtswandler schließen. In Abbildung 2 ist ein Blockdiagramm für eine 2S-Akku-basierte Anwendung dargestellt.

Abbildung 2: Blockdiagramm einer Anwendung mit 2S-Akku (Quelle: Maxim Integrated)

USB-C-konform und sofort einsatzbereit

Maxim Integrated hat einige neue USB-C-Ladesystemlösungen entwickelt, die die USB-C-PD-3.0-Spezifikation erfüllen und sofort einsatzbereit sind. Dadurch entfällt die Firmware-Entwicklung und die Entwicklungszeit wird um bis zu drei Monate verkürzt. Die kompakte Bauform reduziert zudem die Größe der Ladesystemlösung um die Hälfte im Vergleich zu Konkurrenzprodukten. Der Laderegler MAX77958 für USB-C und USB-C Power Delivery macht den Schritt der Firmware-Entwicklung überflüssig und bietet ein GUI-gesteuertes Anpassungsskript, BC1.2-Unterstützung und Konfigurationseinstellungen für Fast Role Swap (FRS), Dual Role Port (DRP) und den Try.SNK-Modus. Das eigenständige Gerät benötigt keinen externen Mikrocontroller, ist direkt einsatzbereit und kompatibel mit USB-C PD 3.0. Dadurch können Sie das Gerät ohne Firmware-Entwicklung an die Endanwendung anpassen. Außerdem ist die Lösung für raue Umgebungen ausgelegt und zeichnet sich durch Features wie 28 V Nennspannung, V_BUS-Kurzschlussschutz an den CC-Pins, einen integrierten Analog-Digital-Wandler (ADC) und Feuchtigkeitserkennung/Korrosionsschutz aus.

Der MAX77962 ist ein 3,2 A USB-C Buck-Boost-Ladegerät mit integrierten FETs zum schnellen Laden von 2S-Li-Ionen-Akkus mit hoher Kapazität. Er bietet einen weiten Eingangsspannungsbereich (3,5 V bis 23 V) für USB-C-PD-Ladevorgänge, benötigt keine diskreten FETs und kann mit oder ohne Anwendungsprozessor konfiguriert werden. Der Spitzenwirkungsgrad beträgt 97 Prozent bei 9 V_IN, 7,4 V_OUT, 1,5 A_OUT.

Die beiden Komponenten können mit dem Schnittstellen-Entwicklungstool MAX77958EVKIT-2S3 evaluiert werden. Dieses Tool zeigt, wie der MAX77958 den MAX77962-Laderegler mit seiner I²C-Master-Funktion autonom steuert.

Beide Geräte sind Teil eines umfassenden Portfolios von USB-C- und USB-C-PD-Geräten, das energieeffiziente Ladegeräte und Konverter, autonome und robuste Controller sowie Power Path- und Schutz-ICs umfasst.

Der Blog-Beitrag Tipps für schnellere Entwicklung von USB-C-Stromversorgungslösungen wurde von Bakul Damle und Sagar Khare geschrieben und wurde zuerst auf www.maximintegrated.com veröffentlicht.