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Ein universeller Ladestecker muss her

Je mehr Verbraucherelektronik eher für den Akku- als für den Netzbetrieb konzipiert wird, umso wichtiger wird die Frage, wie wir diese Geräte laden. Wir erinnern uns alle an verschiedenste Netzteile, die wir für unsere ersten Mobiltelefone hatten. Möglicherweise verstecken sich einige von ihnen noch immer ganz hinten in einer Schublade. Neben diesen Ladegeräten brauchten wir Netzteile auch für andere Geräte wie Rasierer, Kameras und Handheld-Spielekonsolen. Eine Urlaubs- oder Geschäftsreise bedeutete immer auch, einen Beutel voller Ladegeräte mitzunehmen, weil es sehr selten der Fall war, dass das Netzteil für ein Gerät auch für ein anderes genutzt werden konnte.

Dies begann sich zu ändern, als USB Micro-B als Stecker der Wahl für viele Geräte mit geringem Stromverbrauch aufkam, darunter Smartphones, Smart Watches und Smart Home-Thermostate. Da diese Stecker jedoch nur geringe Leistung übertragen – bis zu etwa 5 Watt – eignen sie sich nicht für größere Geräte.

USB-C setzt sich durch

Ende 2014 führte das USB Implementers Forum (USB-IF) den Steckerstandard USB Typ-C ein. Innovativ daran war die Nutzung von zwei symmetrischen Sätzen mit je 12 Schnittstellenpins, sodass der Stecker mit jeder der beiden möglichen Orientierungen eingesteckt werden kann. Der neue Steckerstandard wurde etwa zeitgleich mit der USB 3.1-Schnittstellenspezifikation zur Verfügung gestellt, obwohl USB-C für die Kommunikation nicht unbedingt die 3.1-Spezifikation übernehmen muss. Darüber hinaus wurde mit USB-C die Funktion zur Übertragung anderer Datensignale zusätzlich zu USB-Daten eingeführt – darunter die Signale für DisplayPort, HDMI und Thunderbolt. Ein weiterer wesentlicher Aspekt bei USB-C ist, dass es eine Stromversorgungsfunktion bietet, die vom USB-Datenmodus unabhängig ist. Diese wird als USB Power Delivery (PD) bezeichnet. Zwei dedizierte Pins (CC1 und CC2) sind für die Verhandlung mit dem Host verantwortlich, um bis zu 20V_DC bei bis zu 5A bereitzustellen (Abbildung 1).

Mit der Fähigkeit, 100 W zu übertragen, ist es somit nicht überraschend, dass USB-C schnell zum bevorzugten universellen Stromanschluss für ein großes Spektrum an Verbraucherelektronik wurde und sowohl den Micro-B-Stecker als auch die zahlreichen zylinderförmigen Hohlstecker ersetzte, die früher so weit verbreitet waren.

Abbildung 1: Die Abbildung zeigt die Pinbelegungsspezifikation eines USB-C-Anschlusses (Quelle: USB Implementers Forum)

So funktioniert die Stromversorgung über USB

Die aktuelle USB PD-3.0-Spezifikation für die Stromversorgung sieht vier nominelle Spannungen von 5 V, 9 V, 15 V und 20 V vor, wobei die Möglichkeit besteht, die Spannung in 20 mV-Schritten zu programmieren. Darüber hinaus unterstützt die Spezifikation eine Leistungsabgabe von bis zu 100 W, und die Fähigkeit eines Konstantspannungs- oder Konstantstromladebetriebs. Dieser Ansatz eröffnet zahlreiche neue Möglichkeiten für das Laden von Geräten, etwa von Laptops und anderen Geräten mit höherer Leistung. Um jedoch USB-C verwenden zu können, sind für die Anwendung ein Mikrocontroller, zusätzliche Schaltungen und Software-Ressourcen erforderlich.

Technische Herausforderungen beim Ersetzen von Hohlsteckern

Bei der Einführung von USB-C-PD als Ersatz für Hohlstecker muss die zuständige Technikabteilung sich umfassend mit der USB-PD-Konfiguration vertraut machen und sicherstellen, dass das jeweilige Gerät den strengen Zertifizierungsanforderungen des USB-IF im Hinblick auf Richtlinienkonformität und Interoperabilität entspricht. Ein USB-C-konformes Netzteil ist generell eine programmierbare Stromversorgung, bei der die Last mittels Kommunikation die erforderliche Spannung oder die erforderliche Stromstärke anfordern können muss. Jedes Design benötigt deshalb sowohl einen Mikrocontroller als auch die zugehörige Firmware, um die volle USB-PD-Kapazität zu realisieren. Durch weitere Komponenten im Design wird die Materialliste insgesamt länger und es sind zahlreiche Iterationen erforderlich, um die Stromschaltung zu verbessern und am Ende eine technisch und wirtschaftlich sinnvolle Lösung zu erhalten.

Gestaltung einer optimalen Lösung

Statt zu versuchen, USB PD von Grund auf neu zu implementieren, haben Ingenieure die Möglichkeit, eine von USB-IF vorzertifizierte Lösung zu verwenden, etwa das Cypress EZ-PD™ Barrel Connector Replacement (BCR) Evaluation Kit (CY4533) (Abbildung 2). Auf dieser Grundlage können sie dann ganz einfach prototypisieren, wie sie einen herkömmlichen Hohlstecker durch einen USB-C-Stecker ersetzen, ohne eine Firmware entwickeln zu müssen (Abbildung 3). Dieses Konzept des Nachrüstens eröffnet eine extrem schnelle Möglichkeit, ein vorhandenes Produkt auf ein USB-C-Universalnetzteil umzustellen.

Abbildung 2: Das Cypress EZ-PD Barrel Connector Replacement (BCR) Evaluation Kit mit den wichtigsten Komponenten und Anschlüssen (Quelle: Cypress)

Abbildung 3: Einfache Schritte für die Integration von USB-C in ein Gerät mit dem Cypress EZ-PD BCR Eval Kit (Quelle: Cypress)

Das EZ-PD Barrel Connector Replacement (BCR) Evaluation Kit von Cypress arbeitet mit einem Cypress CYPD3177-PD-Controller, den die Entwickler durch Widerstandskombinationen auf die gewünschten Werte für Lastspannung und -strom einstellen können, ohne dafür eine Firmware oder andere Basis-Software entwickeln zu müssen. Nach der Prototypisierung zu Beginn bietet Cypress ein benutzerfreundliches Referenzdesign an, sodass der CYPD3177 sowie sechs Widerstände zusammen mit einer geeigneten USB-C-Anschlussbuchse in das Endprodukt eingebaut werden können, beispielsweise der Molex USB-C-Anschluss (Abbildung 4). Dieser Anschluss gehört zur Molex-Familie kompakter USB-C-Anschlüsse und -Kabel, die Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 10 GBit/s unterstützen und die vollen 100 W für die Stromversorgung bieten. Die Anschlussbuchse verfügt über ein Hochtemperatur-Buchsengehäuse mit Nyloneinsatz in einer Metallhülle und über eine Mittelanschlussplatte, welche die Robustheit und Zuverlässigkeit der Steckverbindung gewährleistet.

Abbildung 4: Die Molex USB-C-Anschlussbuchse unterstützt Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 GBit/s und eine Stromversorgung mit bis zu 100 W. Die Akkuladedauer verkürzt sich um 64 Prozent gegenüber dem Mikro-USB 2.0-Nennstrom von 1,8 A. (Quelle: Molex)

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