„Jährlich werden in Europa eine halbe Milliarde Ladegeräte für Mobilgeräte versendet und erzeugen 11.000 bis 13.000 Tonnen Elektroschrott. Ein einheitliches Ladegerät für Mobiltelefone und andere kleine und mittelgroße elektronische Geräte würde daher allen zugutekommen. Es wäre gut für die Umwelt, würde die Wiederverwendung alter Elektronikgeräte fördern, Geld sparen und sowohl für Unternehmen als auch für Verbraucher unnötige Kosten und Unannehmlichkeiten reduzieren.“

Diese Aussage stammt von Alex Agius Saliba vom Europäischen Parlament. Er schlägt den USB Typ-C-Anschluss als neuen harmonisierten Standard zum Laden elektronischer Geräte und somit die Entkopplung von Ladegeräten dieser Geräte vor.

Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten, USB-C in ein Design zu implementieren, je nach Strombedarf des Geräts und entsprechend der neuesten Spezifikation von USB Type-C Power Delivery:

1. Eine konstante Spannung von 5 V mit maximal 15 W bei 3 A: In diesem Fall wird das Power Delivery-Protokoll nicht eingesetzt, aber einige Schutzmaßnahmen können dennoch notwendig sein, um nachgelagerte elektronische Schaltungen zu schützen. Dies ist der einfachste und schnellste Weg, um die wichtigsten Vorteile dieses leistungsstarken Standards zu nutzen.
2. Eine beliebige Spannung zwischen 5 V und 20 V bei maximal 5 A: Hier bietet das Power Delivery-Protokoll Vorteile für schnelles Laden und geringere Wärmeverluste im Ladegerät, wenn eine programmierbare Stromversorgung verwendet wird [3]. Dieser Leistungsbereich wird SPR genannt: Standard Power Range.
3. Die Extended Power Range (EPR) ist die neueste Entwicklung des USB-C Power Delivery-Standards und bietet bis zu 240 W (48 V bei 5 A max).

Nach der Auswahl der Leistungsprofile für das zu versorgende Gerät wählt der Entwickler die entsprechende Schnittstellenschaltung aus.

Diese Schnittstellenschaltung hat vor allem zwei Aufgaben: ESD-Schutz und USB-C PD-Kompatibilität.

ESD-Schutz

Zunächst muss ein Schutz gegen elektrostatische Entladungen (Electrostatic Discharges, ESD) gewährleistet sein, um den Anforderungen der IEC61000-4-2 Level 4 Prüfung zu entsprechen. ESD-Schutz ist für alle Pins erforderlich, an denen eine externe elektrostatische Entladung vom Steckverbinder ausgehen kann.

Dies ist in der Regel bei den Pins CC1 und CC2 sowie bei den Pins D+ und D- der Fall. Dieser ESD-Schutz wird idealerweise in der Nähe des USB-C-Anschlusses angeordnet. Durch die Wahl eines Bauteils mit 2 Leitern können Sie den Platzbedarf auf der Leiterplatte auf ein Minimum reduzieren.

Für den VBUS-Pin muss der Überspannungsschutz wesentlich stärker dimensioniert sein, da die Wellenform der Überspannung länger sein kann als eine ESD-Entladung. In diesem Fall sollte ein TVS mit einer Wellenform von 8/20 µs oder 10/1000 µs verwendet werden, um eine elektrische Überlastung der nachgelagerten Schaltungen zu vermeiden. Außerdem sollte der kapazitive Wert des VBUS-Pfads bei einer USB Typ-C Stromversorgungssenke zwischen 1 µF und 10 µF liegen.

Nehmen wir an, die Stromsenke enthält eine HF-Konnektivität. In diesem Fall ist es sinnvoll, die Empfindlichkeit des HF-Empfängers durch das Einfügen eines Gleichtaktfilters in den ESD-Schutz der D+, D- oder SuperSpeed-Leitungen zu verbessern, die mit größerer Wahrscheinlichkeit Gleichtaktstörungen innerhalb der HF-Empfängerfrequenzen erzeugen (typischerweise 2,4 GHz oder 5 GHz, die von Bluetooth- oder WiFi-Antennen verwendet werden).

Neben diesen EMV-Basiskomponenten sind spezielle USB-C-Schutzkomponenten für die VBUS- und CC-Leitungen erforderlich, unabhängig vom Leistungsprofil der Schaltung.

Betrachten wir zunächst VBUS: Es gibt viele Videos, die zeigen, wie die ersten, mit schlecht konstruierten USB-C-Komponenten hergestellten Geräte aufgrund von fehlerhaften Netzteilen oder USB-C-Kabeln schwer beschädigt wurden. Dies wird sich wahrscheinlich leider wiederholen, da USB-C nach den Vorgaben der EU an Popularität gewinnen wird. Daher muss sich ein Gerät, das Strom verbraucht, vor einer defekten Quelle oder einem defekten Kabel schützen, das eine höhere als die festgelegte VBUS-Spannung liefern kann, unabhängig vom Stromprofil der Anwendung: 5 V oder ein beliebiges Leistungsprofil des Power Delivery-Protokoll. Die robusteste Lösung gegen dieses Risiko ist die Integration eines Überspannungsschutzes (OVP), der bei einem Schwellenwert ausgelöst wird, der idealerweise mit einer Spannungsteiler-Widerstandsbrücke festgelegt wird: Unabhängig von der fehlerhaften Spannung auf dem VBUS wird somit die Integrität des elektronischen Geräts sichergestellt.

Die CC-Leitungen sind in der Regel für eine maximale Spannung von 6 V DC ausgelegt. Beim Herausziehen des USB-C-Steckers aus der Buchse wurde beim USB-C-Stecker häufig ein Kurzschluss mit VBUS beobachtet. Dies ist auf das kleine Rastermaß des Steckers (0,5 mm) zurückzuführen, das beim Verdrehen des Steckers in der Buchse die VBUS-Spannung an die CC-Leitung anlegen könnte. Auch hier ist es eine bewährte Lösung, einen Überspannungsschutz auf die CC-Leitungen zu legen. Außerdem schreibt der Standard für das USB-C Power Delivery-Protokoll in SPR- oder EPR-Modi die Verwendung von EMI-Kondensatoren mit Werten zwischen 200 pF und 600 pF auf den CC-Leitungen vor.

USB-C PD-Konformität

Die Schnittstellenschaltung muss auch die funktionale Konformität mit der USB-C Power Delivery-Spezifikation gewährleisten. Konzentrieren wir uns nun auf die funktionale Konformität und nicht auf die in der Spezifikation definierten Spannungs- und Timingwerte, die Sie in jedem IC-Datenblatt finden können.

Interessant für den Entwickler ist hier der sogenannte „Dead-Battery“-Modus, der die Verwendung des Schnellladeprotokolls ermöglicht, wenn die Batterie als Stromquelle vollständig entladen ist.

Wie funktioniert das? Das Dead-Battery-Verhalten ist im Grunde ein Pull-Down (Rd) oder eine Spannungsklemme, wenn eine Quellenspannung über USB Typ-C an beide CC-Leitungen angelegt wird. Dies wird als Anforderung des zu versorgenden Geräts für den Empfang einer VBUS-Spannung von 5 V interpretiert. Die Quelle schaltet dann das Gerät ein und kann das Stromversorgungsprotokoll ausführen, um das Stromversorgungsprofil des Gerätes zu übertragen, das ein schnelles Aufladen ermöglicht.

Nachdem diese wesentlichen Funktionen nun geklärt sind, schauen wir uns die zwei Arten von Schaltkreisen an, die für den Aufbau einer solchen USB Typ-C Stromsenke in Frage kommen. Die Wahl der Implementierung wirkt sich direkt auf die Kosten des Geräts aus. Die Kosten des USB-C-Steckers und seiner komplexen Schaltkreise waren oft der entscheidende limitierende Faktor bei der Verbreitung dieser Lösung in batteriebetriebenen Geräten.

Die gesamte Hardwarelösung besteht aus integrierten Schaltkreisen, mit denen ein USB-C-Stromversorgungs-Controller und sämtliche Hochspannungssteuerungen (OVP für eine Senke, OCP für eine Quelle) für alle USB-C-Pins implementiert werden... und davon gibt es viele. Diese ICs waren die ersten Lösungen (Legacy) von verschiedenen Anbietern, als der USB-C-Anschluss hauptsächlich in Laptops oder Desktops eingesetzt wurde. Es handelt sich in der Regel um eine Einheitslösung, die für kostensensible Geräte nicht zu empfehlen ist. Es gibt zwar kostengünstigere ICs, aber sie sind nicht vollständig mit der neuesten Entwicklung der USB-C Power Delivery-Spezifikation (wie PPS) oder Schutzfunktionen (wie OVP auf VBUS) kompatibel. Außerdem sind die Kosten aufgrund der in diesen ICs verwendeten Hochspannungs-Siliziumtechnologie noch nicht optimiert und damit nicht ideal für die Logikintegration des Power Delivery-Protokolls.

Eine andere Lösung besteht darin, diese reinen Logikfunktionen in einen IC zu verlagern, der bereits in jedem Embedded-Gerät vorhanden ist: die MCU. Das USB Type-C Power Delivery (UCPD)-Protokoll ist in einer MCU kostengünstiger umsetzbar als in einem Hochspannungs-IC, der nicht den Kostenvorteil einer MCU mit flacherer Fertigungsstruktur bietet. Daher kann die Steuerung der Hochspannung für den VBUS-Pfad und den Schutz der CC-Leitungen in einen anderen, wesentlich kleineren Baustein integriert werden, der idealerweise auf stromsparende Bauelemente abgestimmt ist, die als Type-C Port Protection (TCPP) verwendet werden können. Dieses Bauteil muss nicht die umfassenden Funktionen von USB Type-C Power Delivery bieten, wenn die grundlegenden Anforderungen des Standards erfüllt sind.

Dank dieser Lösung können neue Anwendungen die Vorteile der Schnellladefunktion nutzen, ohne dass die Kosten darunter leiden.

Betrachten wir diese zweite Lösung im Detail in zwei Schritten, wobei wir uns zunächst auf die MCU mit UCPD und anschließend auf TCPP konzentrieren.

Für die Nutzung des vollen Funktionsumfangs von USB Type-C Power Delivery kann Know-how in verschiedenen Bereichen erforderlich sein, z. B. bei kabelgebundener Konnektivität, Leistungsmanagement, Datenkommunikation und Authentifizierung. Die STM32-Mikrocontroller von STMicroelectronics erfüllen die neuesten USB PD r3.1-Spezifikationen. Sie vereinfachen den Einsatz von USB PD in Embedded-Systemen für hochmoderne Anwendungsfunktionen. Die neuesten STM32 MCU-Baureihen, wie z. B. STM32G0, STM32G4, STM32L5 und STM32U5, besitzen einen integrierten zertifizierten USB-PD-Controller (UCPD). STM32G0 ist die einzige Produktfamilie mit 2 integrierten UCPD-Controllern. Das optimiert die Kosten von Anwendungen mit einem dualen USB-C-Anschluss. Das UCPD-Peripheriegerät kann nun als Standard-Peripheriegerät betrachtet werden, genau wie I2C oder ADC, und wird künftig auch Bestandteil der neuen STM32-Baureihe sein.

Wenn das USB-C PD nicht eingesetzt wird, kann jede beliebige MCU verwendet werden, solange die CC-Leitungen mit einem korrekten Wert eingesetzt werden (typischerweise 5,1 kΩ für die Leitungen CC1 und CC2; beide Leitungen dürfen nicht verbunden sein).

Um jedoch die Vorteile des Schnellladens mit USB-C PD zu nutzen, ist eine MCU mit UCPD und dem dazugehörigen Chip TCPP die optimale Wahl, um Hochspannungssteuerung und Schutz zu gewährleisten. Bei batteriebetriebenen Geräten, bei denen es sich in der Regel um Stromsenken handelt, beinhaltet der TCPP01-M12 von STMicroelectronics den Gate-Treiber für einen externen n-Kanal-MOSFET für den VBUS-Überspannungsschutz mit einer extern einstellbaren OVP-Schwelle unter Verwendung einer Spannungsteilerbrücke. Außerdem verfügt der Baustein über einen ESD-Schutz auf Systemebene nach IEC61000-4-2 Level 4 für die CC-Leitungen, der eine Kontaktentladung von bis zu +8kV an den Steckerpins gewährleistet. Zudem schützen zwei integrierte FETs auf diesen CC-Leitungen diese vor einem Kurzschluss mit VBUS. Beide Bauteile sind so konzipiert, dass sie im Falle einer leeren Batterie einwandfrei zusammenarbeiten: Der TCPP01-M12 schaltet seine eigenen Rd-Widerstände (Dead Battery) auf die CC-Leitungen, wenn der STM32 ausgeschaltet ist, und nimmt sie heraus, wenn der STM32 wieder eingeschaltet wird, nachdem die Quelle die Spannungsklemme auf den CC-Leitungen ausgelesen und 5V an VBUS angelegt hat. Um die Batterielebensdauer zu maximieren, wird der TCPP01-M12 unter normalen Bedingungen nur dann vom STM32 mit Strom versorgt, wenn ein USB-C-Kabel angeschlossen ist. Solche Tricks sind mit alternativen Lösungen nur schwer realisierbar.

Der Hauptvorteil bei der Verwendung der Kombi-Chips STM32+TCPP01-M12 ist ein verfügbares Nucleo-Erweiterungsboard X-NUCLEO-SNK1M1, mit dem Sie all diese Funktionen ausprobieren und die Leistungsfähigkeit des Power Delivery-Protokolls erleben können. Dieses Board und der kostenlose Software-Beispielcode X-CUBE-TCPP sind übrigens von der USB-IF unter der TID: 5205 zertifiziert.

Ausblick

Sie entwickeln ein Gerät, das eine Stromversorgung benötigt? STMicroelectronics hat eine ganze Reihe von TCPP-Produkten für verschiedene Anwendungsfälle am Markt (Stromquelle mit TCPP02-M18, Dual Role Power mit TCPP03-M20), und dazu jeweils ein günstiges Nucleo-Erweiterungsboard: X-NUCLEO-SRC1M1 für TCPP02-M18 und X-NUCLEO-DRP1M1 für TCPP03-M20. Der Software-Beispielcode steht für beide Boards zum kostenlosen Download bereit: X-CUBE-TCPP.