USB-PD: Návrh komponent a systémů | Altium

Přemýšleli jste někdy, proč se váš telefon starou nabíječkou nabíjí celé hodiny, ale po připojení k nové se nabíjí velmi rychle? Pokud jste elektronický konstruktér, znáte problém: vaše stará nabíječka neposkytuje dostatek energie k rychlému nabití baterie, protože její výstupní proud je příliš nízký. Nové telefony jsou zařízení náročná na energii, která k rychlému nabití na plnou kapacitu vyžadují více proudu.

USB existuje již od roku 1996, ale nové USB-PD přes konektory typu C umožňuje dodat do mobilního zařízení více energie, což umožňuje rychlejší nabíjení. USB-PD dokonce umožňuje obousměrný přenos energie, takže váš telefon může (teoreticky) napájet váš notebook. Zde je několik komponent, které budete potřebovat pro systém USB-PD, a jak navrhnout svůj další produkt s podporou USB-PD.

Standard USB-PD

Základní myšlenka USB-PD je jednoduchá: dodat připojenému zařízení větší proud při vyšším napětí, čímž se baterie nabije rychleji. Standard USB-PD (aktuálně revize 3.0) umožňuje přenos až 100 W mezi zařízeními při napětí až 20 V/5 A prostřednictvím konektorů USB typu C. To je však možné pouze tehdy, pokud přijímací zařízení zvládne toto napětí/proud. Tato čísla v manuálech byla zamýšlena tak, aby vyhovovala nabíjení notebooků, tabletů a dalších zařízení, která dříve pro dostatečný výkon vyžadovala válcový konektor. Pro srovnání, můj rok starý notebook vyžaduje k nabíjení stejnosměrný zdroj napájení 19,5 V/3,3 A, což je v mezích protokolu USB-PD.

USB-PD přenáší energii přes kabel USB typu C a je navrženo pro použití způsobem neutrálním vůči dodavateli. Jinými slovy, standard USB-PD byl koncipován jako způsob, jakým by vývojáři produktů mohli vytvořit univerzální řešení nabíjení, které lze přizpůsobit různým produktům. Neutralita vůči dodavateli nezabránila společnostem Qualcomm a Samsung ve vývoji vlastních technologií nabíjení (Quick Charge a Adaptive Fast Charging) pro jejich mobilní telefony. USB-PD však lze stále používat s těmito a dalšími mobilními zařízeními nebo s vaším dalším zařízením IoT/mobilním zařízením.

Níže uvedená tabulka ukazuje standardizované úrovně napětí používané pro zdroje s různými úrovněmi výkonu. Vybrané komponenty musí odpovídat těmto specifickým výstupním napětím a proudovým rozsahům, aby splňovaly standard USB-PD.

Upozorňujeme, že standard USB-PD je pouze doporučením, nikoli požadavkem. Například nedávný iPhone od společnosti Apple se nabíjí proudem 14,5 V/2 A (29 W), což je kompatibilní s 15V částí ve výše uvedené tabulce.

Komponenty pro USB-PD

Protože různé produkty vyžadují různá napětí a proudy, musí nabíjecí zařízení komunikovat s připojenými zařízeními a určit správné napětí/proud, který má dodávat. Komponenty musí splňovat následující funkce:

• Připojení kabelu, orientace kabelu a detekce role kabelu
• Kompatibilní se staršími 5V zařízeními
• V případě potřeby umožňuje přenos dat přes standardní kontakty +D a -D
• Přepínání mezi konkrétními úrovněmi napětí
• Definovaná funkcionalita (dvojí role, zdroj nebo jímka)

Některé systémy budou vyžadovat více napájecích přepínačů USB-PD a/nebo multiplexor pro zajištění výstupního napájení více navazujících zařízení. Budou také vyžadovány další komponenty napájecího systému, jako je regulace vstupního/výstupního výkonu a potlačení nadproudu. To druhé je důležité, protože umožňuje obousměrnou povahu USB-PD (režim dvojí role); používá specializovaný regulátor USB-PD k vyjednávání přenosu energie mezi zařízeními. Zde je několik příkladů klíčových komponent pro jakýkoli nabíjecí systém USB-PD.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

ON Semiconductor FUSB302BMPX je napájecí spínač, který poskytuje až plných 100 W dle specifikace USB-PD. Tato součástka byla vydána pod verzí 2.0, ale je stále kompatibilní s novějšími zařízeními verze 3.0 a nadále se aktivně vyrábí. Tato součástka nachází uplatnění v USB-PD pro notebooky, telefony, přenosné nabíječky baterií a fotoaparáty.

Blokové schéma regulátoru napájení USB-PD z datového listu FUSB302BMPX.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

PTN5100DBSMP od společnosti NXP Semiconductors je PHY rozhraní kompatibilní s USB-PD pro jeden port USB typu C. Tento integrovaný obvod obsahuje LDO pro podporu stavu nízkého nabití baterie v zařízení downstream. Tento integrovaný obvod lze také konfigurovat jako vstupní PHY vrstvu pro přijímací zařízení nebo jej lze použít ve dvou rolích. Konfigurace se provádí přes rozhraní SPI a aktualizace stavu jsou poskytovány přes I2C. Tento integrovaný obvod také poskytuje řídicí signály pro výkonové tranzistory PMOS na napájecí sběrnici pro přenos energie downstream.

Funkční blokové schéma z datového listu PTN5100DBSMP. (Alternativní text: Blokové schéma USB-PD z datového listu TPS65982) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

TPS65982 od společnosti Texas Instruments je kombinace přepínače, regulátoru a multiplexeru USB-PD v jednom pouzdře. Ostatní komponenty oddělují důležité funkce do různých čipů, což dává této komponentě velkou výhodu v produktech USB-PD. Toto zařízení obsahuje vrstvu USB PHY, výstup 3.3 V LDO pro podporu slabé baterie a přepínač 5 V/3 A na sběrnici VBUS pro napájení Type-C. Může dodávat až 20 V/3 A, takže je kompatibilní s moderními mobilními zařízeními. Texas Instruments je pravděpodobně současným lídrem v oblasti těchto komponent, jedinou nevýhodou je omezený výkon 60 W.

Vaše další mobilní zařízení, IoT nebo jiný napájecí systém se bude moci nabíjet mnohem rychleji, pokud jej navrhnete podle standardu USB-PD. Výše uvedené komponenty vám mohou pomoci s výběrem vašeho dalšího napájecího systému a potřebné komponenty můžete najít pomocí vyhledávače elektronických součástek, jako je Octopart. Pokročilé filtrování vám pomůže zúžit vyhledávání na ty správné komponenty pro váš další systém.

Zůstaňte v obraze s našimi nejnovějšími články přihlášením k odběru našeho newsletteru.

Souhlasím, je velmi nepříjemné, když se baterie v notebooku vybije a po ruce není nabíječka. Tento problém se však dá vyřešit: dnes vám povíme o čtyřech způsobech, jak si notebook dobít bez adaptéru.

Někdy se stane, že si na cesty (zejména pokud se to děje ve spěchu) zapomenete vzít nabíječku na notebook. Ale nerozčilujte se příliš brzy, protože níže vám řekneme, jak nabít notebook i bez originálního adaptéru!

Mnozí si pravděpodobně položí otázku, zda je bezpečné nabíjet notebook bez vlastní nabíječky? O tom vám povíme, ale nejprve si pojďme zjistit, jak přesně si můžete notebook nabíjet.

Obsah Ukázat

Externí baterie

V závislosti na modelu notebooku můžete k nabíjení použít jeden z portů USB typu C, i když s sebou nemáte originální nabíječku.

Mnoho lidí nabíjí své chytré telefony pomocí externí baterie (běžně známé jako powerbanka), ale jen málokdo ví, že ji lze použít i pro notebook.

Je tu ale malý problém: Většina notebooků vyžaduje napětí 8 až 12 voltů a powerbanky jsou obvykle schopny dodat pouze do 5 voltů. Budete si tedy muset pořídit model, který podporuje 12 voltů nebo vyšší.

Zde doporučujeme baterii Anker PowerCore + 26800mAh PD, která je skvělá pro nabíjení notebooku, protože dokáže dodat napětí až 9 voltů.

Poznámka: Některé starší notebooky s USB typu C nepodporují nabíjení přes tento port.

autobaterie

Pokud nemáte powerbanku, můžete zkusit nabíjet notebook z autobaterie. Ano, zní to docela šíleně, ale někdy je potřeba zajít do extrémních situací!

S invertorem můžete napájet cokoli, co vyžaduje až 300 W, což je více než dost na nabití notebooku!

Tato metoda má nevýhodu, protože měnič je poměrně velké zařízení.

Adaptér USB typu C

Pokud nemáte externí baterii nebo nemůžete nabíjet notebook z auta, další možností je použití adaptéru USB typu C.

Na rozdíl od USB-A používá USB-C menší oválný konektor určený pro vyšší výkon. Dokáže přenášet více energie a to mnohem rychleji.

Adaptér USB typu C nabije váš notebook stejně jako powerbanka, ale budete ho muset zapojit do zdroje napájení (tj. do zásuvky ve zdi).

Vzhledem k tomu, že tento typ adaptéru má ochranu, která zastaví nabíjení, pokud detekuje vysoké teploty nebo jiné problémy, je to jeden z nejbezpečnějších způsobů nabíjení notebooku.

Univerzální napájecí adaptér

Existuje další možnost nabití baterie notebooku bez originální nabíječky – použití univerzálního napájecího adaptéru. Za zmínku stojí, že při jeho použití může dojít k selhání baterie nebo k jejímu nabití, pokud nastavíte příliš vysoké napětí.

Obvykle se dodává s náhradními hroty a je kompatibilní s mnoha různými značkami.

Mnoho bateriových bloků lze dokonce zapojit do 12voltového zapalovače cigaret v autě, což je činí skutečně přenosnými a všestrannými.

Je bezpečné nabíjet notebook bez originálního adaptéru?

Pokud nemáte dostatek znalostí, použití jiných metod nabíjení notebooku může zařízení poškodit. Nejprve se ujistěte, že napětí a výkon odpovídají specifikacím nabíječky vašeho počítače.

V každém případě je originální nabíječka nebo jiná spolehlivá možnost v podobě USB-C adaptéru nejlepším způsobem, jak nabít notebook.

Výsledky

Některé z výše popsaných metod mohou negativně ovlivnit baterii vašeho notebooku, proto byste je neměli používat pravidelně, pokud to není nezbytně nutné.

Snažte se vždy používat originální nabíječku, která byla dodána s vaším notebookem, a tyto metody používejte pouze v nezbytně nutných případech.

• Nabijte si notebook pomocí externí baterie (powerbanky).
• Nabijte notebook pomocí autobaterie nebo zapalovače cigaret.
• Použijte adaptér USB typu C.
• Nabijte svůj notebook univerzálním napájecím adaptérem.

Jít kamkoli bez nabíječky na notebook není zrovna nejlepší zážitek! Takže až si příště sbalíte kufry, sbalte si nejdřív nabíječky a pak už jen myslete na všechno ostatní!

Ale víte, co je ještě horší? Když máte nabíječku, ale stále nemůžete nabít notebook (kvůli nedostatku zdroje napájení, tj. zásuvky)!