Microchip Technology Inc
Avtor: Daniel Leih
2020_289_22

V zadnjih nekaj letih je bilo napisanih veliko člankov, ki poveličujejo prednosti USB-C priključka. Poleg pasovne širine 10 gigabitov na sekundo (Gbps) in video zmogljivosti Alt Mode, je zaradi dveh prednosti ta priključek še posebno dragocen: reverzibilni vtič in inteligentna napajalna zmogljivost velike moči. Vrednost reverzibilnega vtiča je očitna: nenazadnje lahko vse svoje naprave preprosto priključimo, ne da bi morali vtič obrniti (pogosto tudi dvakrat!). Vendar pa med prednostmi izstopa predvsem uporabnost inteligentnega napajanja USB-C priključka.

USB vodilo je vedno lahko zagotavljalo napajanje, če sta napetost 5V in tok, manjši od 1,5A zadoščala za vaše potrebe. To je omejevalo prejšnje oblike priključkov tipa A in tipa B na napajanje majhnih elektronskih naprav, kot so pomnilniški “ključki” in tipkovnice in na naprave, ki jih je potrebno polniti – na primer mobilne telefone. Skupaj s priključkom USB-C ™ prihaja tudi nov standard, Power Delivery (PD), ki omogoča delovanje naprav, kot vir ali porabnik z dogovorjeno močjo do 100 W, pri napetostih od 5 do 20 V. To pomeni, da lahko majhen USB-C vtič napaja veliko več izdelkov, kot je bilo mogoče v preteklosti, vključno z zunanjimi napravami za shranjevanje, telefoni, osebnimi računalniki, električnimi orodji, medicinskimi napravami in neštetimi drugimi. Z močjo 100 W, ki jih imate na voljo, lahko prek USB-C vodila napajate skoraj vse, kar lahko spravite v svoj električni avtomobil (ne pa tudi samega avtomobila – žal).

Industrija osebnih računalnikov in mobilnih telefonov je hitro sprejela USB-C s številnimi končnimi sistemi, ki se danes proizvajajo, predvsem iPhone podpira Power Delivery oskrbo z energijo prek priključka Lightning, telefoni Android pa prav tako v večini novih modelov uporabljajo priključek USB-C. Začetno načrtovanje naprav z USB-C in Power Delivery so bile zapletene in so vključevale številne zunanje komponente in orodja za konfiguracijo programske opreme. Zdaj pa se je že razvila nova ponudba polprevodniške industrije, ki razvijalce novih naprav navaja k razmišljanju o prednostih, ki jih prinaša USB-C. Kaj je torej potrebno, da v svojo ponudbo izdelkov dodate prednosti USB-C?

Kaj je potrebno za razvoj USB-C PD?
Pri razvoju kateregakoli novega izdelka je prvi korak določanje želenega nabor funkcij. To še posebej velja za sistem USB-C s Power Delivery, ker omogočene PD funkcije neposredno vplivajo na stroške sistema. Sam PD sistem torej podraži, zato mora prinašati neko korist, privlačnost ali uporabnost končnega izdelka s takšnim napajanjem mora biti dovolj prepričljiva, da je strošek upravičen.

USB-C je vsestranski in poleg USB podpira tudi različne tipe podatkov, zato je za izbiro ustreznih USB-C komponent potrebno razumevanje celotnega sistema. Če je izdelek naprava za shranjevanje ali polnilnik baterij, sistema ni treba obremenjevati s stroški in posebno vgrajeno programsko opremo, ki je potrebna za delovanje videa v načinu Alt Mode. Če pa je sistem monitor, ki naj bi se povezal z prenosnim računalnikom, ki podpira DisplayPort, morajo biti v zasnovo vključeni posebni krmilniki vrat in ustrezne komponente. Ker elementi vrat USB-C vključujejo PD / USB protokole, podatke in napajanje, bo sistemska rešitev vključevala tako USB-C Power Delivery Port krmilnik, kot tudi analogne in napajalne komponente.

Ena najpreprostejših izvedb USB-C so vrata, namenjena le polnjenju. V tem primeru je sistem zasnovan za napajanje in/ali polnjenje naprav, ki so nanj povezane. Primer te vrste sistema je polnilnik na zadnjem sedežu v avtomobilu, akumulator za električna orodja ali stenski polnilnik v stanovanju.

V takšnem primeru je spisek glavnih komponent (BOM), potrebnih za izvedbo sistema, razmeroma kratek:

• Krmilnik USB-C vrat – poskrbi za sporazumevanje glede povezave in napajanja.
• DC/DC Pretvornik – pretvori vhodno napetost v takšno Vbus napetost, ki jo zahteva PD dogovor.
• Stikalo porabnika – ob priključitvi poveže 5 V na Vbus in po zaključenem PD dogovoru na Vbus priključi dogovorjeno napetost. Včasih je stikalo že v kombinaciji z DC/DC pretvornikom.
• LDO – vzdržuje napajalno napetost za krmilnik vrat, ker se od DC/DC pretvornika lahko zahteva napajanje od 5V do 20V.
• Fizični USB-C priključek

Izbira krmilnika vrat v tem primeru zahteva, da je krmilnik sposoben upravljati vse protokole sporazumevanja s povezano napravo. Sodobni samostojni krmilniki, kot jih ponuja Microchip, vključujejo seznam najmanj naslednjih funkcij:

• Podpora za priključek USB-C z zaznavanjem priključitve in nadzorom povezave
• MAC, skladen z USB Power Delivery 3.0
• Vnaprej programirana ugnezdena programska oprema za PD napajanje
• Podpora za vse standardne profile napajanja (15/27/45/60/100W)
• Integracija izbranih analognih komponent, ki znižujejo ceno vgrajenih komponent in zapletenost načrtovanja. Primeri, ki so potrebni za povezavo, vključujejo:
• VCONN FET s preklopom Rp/Rd
• prenehanje delovanja ob izpraznitvi akumulatorja Rd
• Programabilni nadzor toka za pogoje prekoračenja toka
• Nadzor napetosti za prenapetostne razmere
• Ustrezna podpora za temperaturno upravljanje aplikacije

Ker gre v opisanem primeru za aplikacijo, kjer je potrebno samo polnjenje, niso potrebni nobeni drugi sistemski krmilniki. Čeprav nekateri dobavitelji ponujajo vezja, ki jih je mogoče programirati, je logična izbira rešitev, ki omogoča samo polnjenje, že vnaprej sprogramiran namenski izdelek, brez programskih zahtev in sistemskih konfiguracij, ki je optimiziran za čim bolj preprosto povezovanje (povezave na maso ali Vcc). Dokler je krmilnik skladen s PD 3.0, bo imel uporabnik dostop do vseh standardnih močnostnih profilov: 15W, 27W, 45W, 60W in 100W.

Glede DC/DC pretvornika je izbira ustrezne vrste pretvornika večinoma odvisna od vhodne napetosti. Napajalnik mora biti vedno sposoben zagotavljati enosmerno izhodno napetost od 5 do 20V, da je popolnoma skladen s PD. Za sistem z vhodom 24V ali napetostjo večjo od 20V lahko že osnovna topologija nudi stroškovno učinkovito rešitev. Za nižje napetostne sisteme z enosmerno napetostjo ali izmenično napetostjo izven omrežja pa bodo potrebne nadomestne topologije.

Spremenjen primer s slike 1 je prikazan na sliki 2. V tem primeru se je oblikovalec odločil za podporo USB2 gostiteljstvu za prenos podatkov, saj ima v svojem obstoječem izdelku vgrajen mikrokontroler z vgrajeno USB2 podporo. Upoštevajte, da krmilnik vrat ne zahteva nobene povezave z USB2 podatkovno potjo. Dodatne komponente niso potrebne, seznam komponent za USB-C vrata pa je enak rešitvi, ki podpira le polnjenje. USB3 lahko dodamo tudi s preprostim dodatkom USB3 mux (da omogočimo reverzibilnost vtiča USB-C), če vgrajeni mikrokontroler oziroma sistemski krmilnik podpira USB3. V tem primeru je uporaba samostojnega predprogramiranega krmilnika USB-C vrat tudi najpreprostejša rešitev za dodajanje enih USB-C vrat v že obstoječe izdelke.

Na vrhu arhitekture USB zmogljivosti je sistem, ki temelji na zvezdišču in je prikazan na sliki 3. Zasnova, ki temelji na zvezdišču, ponuja največ prilagodljivosti in zmogljivosti katere koli USB arhitekture, hkrati pa osrednji procesor razbremeni nalog v zvezi s komunikacijo. Ta vrsta sistemov se pogosto uporablja v priklopnih postajah in monitorjih osebnih računalnikov, v avtomobilskih sredinskih konzolah in povsod tam, kjer je potrebno večje število USB povezav. Tako kot v prejšnjih primerih, je tudi za te aplikacije na začetku najprej potrebno načrtovati in določiti nabor lastnosti. V primeru uporabe na osebnem računalniku se prek USB-C vrat verjetno prenašajo tudi video signali, kar zahteva, da so podprte tudi funkcije Alt Mode. Torej, v primerjavi z zgoraj navedenimi primeri polnjenja ali polnjenja z USB podatkovno podporo, mora krmilnik vrat v tem načinu uporabe podpirati funkcije Alt Mode, sistem pa mora vsebovati zahtevano vezje za upravljanje smeri in interpretacijo protokola, ki se prenaša skozi kanale v Alt Mode načinu.

Uporaba večjega števila”SmartHub” vrat v tem sistemu ponuja razvoj učinkovitejše zasnove na ravni sistema. Čeprav bi oblikovalec lahko preprosto kupil funkcijsko bogatejši krmilnik vrat in funkcije pustil ločene, uporaba krmilnika znotraj zvezdišča kot krmilnika vrat zmanjša stroške in razbremeni procesiranje. To še posebej velja za sisteme z več vrati, kjer sta pomembna usklajevanje prenosa podatkov ali porabe energije.

Ta primer prikazuje bolj razvito različico krmiljenja vrat, ki postaja vse bolj razširjena v dobi, ko USB-C postaja vse pogosteje na voljo v krmilnikih in procesorjih. Vse USB-C funkcije, kot so upravljanje protokolov vrat, PD oskrba z energijo, podpora za Alt Mode in podpora za oglaševalske panele, se nahajajo znotraj zvezdišča. V tej arhitekturi je samostojni krmilnik vrat nadomeščen z oddajnikom, ki vsebuje fizično plast USB-C vmesnika, podobno kot je zasnovano Ethernet omrežje.

Da bi podprl funkcijo Alt Mode, zasnova vključuje zunanji preklopnik, ki preusmeri video podatke v DP priključek, s čimer omogoči podporo zunanjemu monitorju. Sistem prikazuje tudi praktično kombinacijo USB-A in USB-C priključkov, ki so v današnjih sistemih običajni.

Da bi odpravili vse večje pomisleke glede varnosti podatkov in omrežja, ta zasnova vsebuje tudi varnostno integrirano vezje, ki omogoča varne posodobitve vdelane programske opreme sistema. Zelo varne naprave, kot je Microchip-ov ECC608A, omogočajo oblikovalcu, da zagotovi varnost kode z uporabo NIST, SHA-256 in HMAC ter šifriranjem AES-128, ne da bi proizvajalec sploh vedel za ključ lastnika.

Dodatno k zgornjemu opisu sistemske specifikacije so dodani še:

• USB-priključek SmartHub z več vrati, ki vsebuje krmilnik in več USB povezav.
• Crossbar mux – za preusmeritev različnih podatkovnih kanalov na različne lokacije.
• DP Connector – za povezavo z video prikazom.
• Priključki tipa A
• Vir napajanja tipa A
• Varnostno IC vezje – ki omogoča varne posodobitve programske kode v zvezdišču.
• USB-C oddajnik in sprejemnik za vsaka vrata
• DC / DC pretvornik za vsaka USB-C PD vrata

Uporaba USB SmartHub z integriranim Power Delivery omogoča tudi druge sistemske funkcije. Napredni sistemi, ki vsebujejo tehnologijo HostFlex, pri čemer lahko katera koli vrata tipa C postanejo sistemski gostitelj, ponujajo nove stopnje prilagodljivosti in funkcionalnosti, tako da uporabnikom omogočajo, da prevzamejo zaslone in izhodne funkcije, ne glede na to, na katera vrata so povezani. Izravnava moči omogoča tudi večjo prilagodljivost sistema z nadzorom in upravljanjem celotne moči, ki je na voljo sistemu in z uporabniško definiranim algoritmom za porazdelitev te moči. Uporabniki se lahko odločijo, ali se napajanje oddaja po vrstnem redu povezave, glede na vrsto naprave, glede na število priključenih naprav ali njihovo kombinacijo. Tehnologija, ki omogoča te funkcije, je Microchipova SmartHub, ki na ravni platforme dirigira upravljanje vseh sočasnih povezav na USB-C PD vratih. Na Computexu 2018 je Microchip predstavil sistemske funkcije, kot so HostFlex, MultiHost (sočasna gostiteljska zmogljivost) in uravnoteženje porabe na najnovejši liniji izdelkov večvratnih USB3.1 SmartHub z integriranim PD.

Povzetek
USB-C je konektor, ki končno omogoča, da lahko v enem konektorju obstaja več vrst podatkov in več nivojev priključne moči. Napredne sistemske funkcije, kot sta HostFlex in Power Balancing, je mogoče enostavno implementirati z zasnovo SmartHub, medtem ko lahko osnovna polnilna vezja izvedemo z dodajanjem preprostih krmilnikov vrat. V prihodnosti bodo ta integrirana vezja še naprej povečevala stopnjo integracije in enostavnost izvedbe.

Oblikovalcem se torej ni treba bati dodajanja USB-C v svoje izdelke, saj polprevodniška podjetja, kot je Microchip, zdaj proizvajajo edinstvene in zelo zmogljive krmilnike vrat, oddajnike in sprejemnike in pripadajoče DC/DC pretvornike, pa tudi podporo, ki je potrebna za poenostavitev načrtovanja in nizko stopnjo tveganja.

Viri

• Microchip’sSmartHub IC Design Center: https://www.microchip.com/design-centers/usb/product-families/smarthub

Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.

www.microchip.com