Renesas Electronics Corporation
Avtor: Marco Ruggeri, vodja arhitekture energetskih in podatkovnih centrov
Protokol USB-C Power Delivery (PD) 3.1 Extended Power Range (EPR) predstavlja pomemben napredek v sodobni tehnologiji polnjenja baterij.
S tem, ko postajajo potrošniške elektronske naprave vse močnejše, se je dramatično povečala potreba po hitrem polnjenju baterij prek kompaktnih in univerzalnih priključkov. USB-C PD 3.1 EPR izpolnjuje to zahtevo, saj omogoča zagotavljanje moči do 240 W, kar je občutno izboljšanje v primerjavi s prejšnjo omejitvijo 100 W prejšnjih standardov USB-C PD.
Ta napredek širi že tako bogato paleto naprav, ki jih je mogoče napajati prek USB-C PD, kot so visoko zmogljivi prenosni računalniki, električna orodja, sesalniki, periferne naprave z visoko porabo energije in celo majhni gospodinjski aparati. Poleg tega izboljša uporabniško izkušnjo z enim standardiziranim konektorjem in krajšim časom polnjenja baterije.
Ta članek predstavlja celovito izvedbo rešitve »Wall-to-Battery« standarda USB-C PD 3.1 EPR. V spodnjih odstavkih so poudarjeni vsi temeljni elementi sistema, od AC-DC adapterja do USB-C PD polnilnika, na koncu pa je opisan tudi sistem za upravljanje baterije (BMS).
USB-C PD 3.1 EPR: Pregled rešitve
USB-C PD tehnologija igra ključno vlogo pri poenostavitvi napajanja široke palete naprav, hkrati pa znatno skrajša čas polnjenja, izboljša energetsko učinkovitost in izboljša uporabniško izkušnjo. Tipični kompletni USB-C PD 3.1 EPR sistem sestavljajo:
Visoko učinkovit AC-DC USB-C 240W adapter. Ta adapter izkorišča polprevodnike s široko energijsko vrzeljo, kot je galijev nitrid (GaN), da zagotovi izjemno učinkovitost, hkrati pa poveča frekvenco preklapljanja, s čimer zmanjša velikost polnilnika. Vezju prepletenega korekcijskega faktorja moči (PFC) sledi izoliran DC-DC pretvornik. Flyback in asimetrični polmost sta zagotovo med najpogostejšimi izoliranimi DC-DC topologijami, primernimi za izhodno moč 240 W.
Rešitev za dvosmerno polnjenje z razširjenim napetostnim območjem (EPR) 48 V.
Dvosmerni 48-voltni stikalni polnilnik omogoča delovanje v načinu »Sink in Source USB-PD«. IC krmilnik poganja štiri zunanje MOSFET-e v konfiguraciji H-mostič za izvedbo močnostne stopnje. Ta podsistem običajno vključuje krmilnik vrat tipa C (TCPC), ki upravlja Bus stikalo in CC priključke, ter krmilnik vrat tipa C (TCPM), ki krmili ena ali več vrat. TCPC in TCPM sta pogosto integrirana v enem ohišju, da se optimizirata prostor na plošči in stroški.
Sistem za upravljanje baterije (BMS).
Sistem za upravljanje baterije neprekinjeno spremlja stanje napolnjenosti baterije (SoC), stanje zdravja (SoH) in številne druge parametre, kot so temperatura in tok polnjenja/praznjenja, kar zagotavlja varno in zanesljivo delovanje. Prav tako uravnava količino napolnjenosti po celotnem baterijskem paketu za izboljšano zmogljivost in življenjsko dobo baterije.
V naslednjih poglavjih so opisani vsi podbloki, ki izvajajo rešitev Wall-to-Battery, tj. AC-DC adapter, rešitev za USB-C PD polnilnik in sistem za upravljanje baterije.
240W AC-DC USB-C PD adapter
Najnovejši protokol USB-C PD 3.1 EPR zahteva učinkovito pretvorbo izmenične v enosmerno napetost in vključuje več ključnih komponent. Vezje za korekcijo faktorja moči (PFC) zagotavlja, da je moč, ki se črpa iz omrežja, v skladu s predpisi o faktorju moči (PF) in skupnem harmoničnem popačenju (THD). Zmanjšuje jalovo moč in izboljšuje splošno energetsko učinkovitost. Sekundarni izolirani DC-DC regulator učinkovito pretvarja visokonapetostni izhod PFC (običajno v območju od 360 V do 400 V) na raven 48 V, kar je največja napetost, ki jo omogoča standard USB-C PD 3.1 EPR.
AC-DC rešitve podjetja Renesas, kot je prikazano na sliki 2, omogočajo hiter čas polnjenja in učinkovito pretvorbo z uporabo naprednega krmilnika v kombinaciji s HEMT stikali iz galijevega nitrida (GaN). Krmilnik R2A20132SP Interleaved PFC, skupaj s stikalom TP65H150G GaN HEMT, zagotavlja visoko učinkovitost, majhno nihanje in visokonapetostno enosmerno vmesno napetost.
iW9801 Flyback pretvornik s preklopom skozi ničlo (angl. Zero-Voltage Switching – ZVS), v kombinaciji s TP65H070G GaN HEMT, ki ima 70 mΩ ON-upornost, omogoča potrebno moč za napajanje sekundarnega krmilnika, iW780, ki zmore na izhodu dobaviti do 48V/5A DC.
Zgoraj omenjeni sekundarni krmilnik iW780 izvaja protokol USB-C PD 3.1 EPR, zaradi česar je AC-DC pretvornik univerzalno primeren za adapterje z enim ali več izhodi, kot je prikazano na sliki 2. Te certificirane rešitve se lahko enostavno vključijo v katero koli zasnovo izdelka, proizvajalcem pa zagotavljajo zanesljive in učinkovite rešitve za polnjenje, ki so v skladu z najnovejšimi specifikacijami USB-C in evropskimi standardi za skupni konektor.
Dvosmerne 48V USB-C PD rešitve polnjenja
Rešitev za polnjenje USB-C PD 3.1 Extended Power Range (EPR) je zasnovana za zagotavljanje moči do 240 W v obeh načinih delovanja, Sinking in Sourcing. Ta rešitev deluje z napetostjo vodila do 48 V in največjim tokom 5 A.
Da bi zmanjšali izgube pri pretvorbi energije in se izognili morebitnim toplotnim problemom, se uporablja visoko učinkovit dvosmerni Buck-Boost DC-DC pretvornik. Običajno je sestavljen iz štirih krmilnih zank (vhodne in izhodne CC/CV zanke), ki poganjajo štirih diskretne 60/80V MOSFET-e v H-mostni konfiguraciji. TCPC mikrokontroler se uporablja za krmiljenje stikal vodila, branje CC signalov ter pošiljanje in sprejemanje sporočil iz in v TCPM mikrokontroler. Pogosto sta krmilnik vrat in upravitelj vrat vgrajena v isti čip.
Renesas USB-C PD 3.1 EPR rešitev je prikazana na sliki 3. Portfelj podjetja ponuja najsodobnejši krmilnik Buck-Boost: RRB86848 podpira dvosmerni pretok toka in zagotavlja robustno delovanje, ki prenese vhodne in izhodne napetosti do 54 V. Nova tehnologija Renesas Split-Gate MOSFET omogoča nizko RDS(on) in preklapljanje za visokozmogljive in visokofrekvenčne aplikacije.
Enotni upravitelj vrat USB tipa C, R9A02G0151, se kombinira z več napravami RAA489400 za nadzor vrat tipa C, da se izvedejo vse funkcije USB PD (kot so pogajanja o napajanju in podpora alternativnega načina) za upravljanje več vrat USB tipa C. Ta funkcija zmanjša skupno velikost in stroške rešitve, saj v zasnovi zmanjša število upraviteljev vrat.
Sistem za upravljanje baterij
Sistem za upravljanje baterij (angl. Battery Management System – BMS) je ključni sestavni del vseh naprav, ki jih poganja baterija, saj zagotavlja varno in učinkovito delovanje baterijskega paketa. Med tri glavne funkcije sistema BMS spadajo nadzor, zaščita in uravnavanje celic. Sistem BMS neprekinjeno nadzoruje stanje posameznih celic v baterijskem paketu glede napetosti, temperaturo in stanje napolnjenosti. Preprečuje tudi pojave, kot so prekomerno polnjenje/praznjenje, kratki stiki in termični beg. Nazadnje zagotavlja enakomerno porazdelitev napolnjenosti med celicami, da se maksimalno podaljša življenjska doba in zmogljivost baterije. Te funkcije se lahko izvajajo z ločenimi napravami ali integriranim vezjem za upravljanje baterije (BMIC). Stikala, kot so MOSFET tranzistorji, nadzorujejo procese polnjenja in praznjenja. Omogočajo natančen nadzor nad tokom, kar je bistveno za zaščito baterijskih celic in ohranjanje učinkovitosti.
Nato se z analognimi-digitalnimi pretvorniki izvede postopek pridobivanja in obdelave natančnih podatkov za merjenje napetosti, toka in temperature. Nazadnje je stabilna oskrba z električno energijo za BMS in njegove komponente ključnega pomena za ohranjanje zanesljivosti in natančnosti pri nadzoru in upravljanju.
Renesas FGIC, RAJ240100, združuje vse zgoraj navedene bloke, kar zmanjšuje velikost in stroške. Vključuje tudi MCU za merjenje količine goriva. Podpira baterijske pakete s 3 do 10 celicami, ki se pogosto uporabljajo v električnih orodjih, visoko zmogljivih dronih, profesionalnih prenosnih računalnikih in še mnogih drugih napravah. Blok diagram je prikazan na sliki 4.
RAJ240100 se dobavlja s firmware-om za merjenje porabe, ki je že naložen v IC. Priloženi firmware načrtovalcem omogoča, da skrajšajo čas raziskav in razvoja (R&D) ter proces testiranja in validacije, kar skrajša čas do uvedbe končnega izdelka na trg.
Zaključek
Renesas je idealni partner za oblikovanje sistemov in aplikacij, ki zahtevajo obsežno strokovno znanje na področju upravljanja z energijo, ugnezdenih procesorjev, rešitev za povezljivost, analognih vezij in integracije senzorjev.
Naš raznolik portfelj napajalnikov vključuje DC-DC pretvornike, AC-DC pretvornike in diskretne napajalne elemente, kot so silicijevi MOSFET-i in GaN HEMT, ki zagotavljajo visoko učinkovitost in zanesljivost, prilagojeno različnim zahtevam po napajanju. To nas dela idealnega partnerja za oblikovanje AC-DC adapterjev, USB-C PD polnilnikov in sistemov za upravljanje baterij za vse vrste aplikacij.
Ponujamo tudi obsežno tehnično podporo in razvojna orodja, ki omogočajo nemoteno integracijo sistemov v širokem spektru industrije.
