Microchip Technology
Avtor: Fernando Gonzalez, glavni inženir za aplikacije, Oddelek za analogno napajanje in vmesnike (APID)
USB vmesnik (Universal Serial Bus) se je sprva uporabljal kot vmesnik za prenos podatkov, vendar ni trajalo dolgo, da se je razvil tudi v vir napajanja za naprave.
Sprva je njegova največja izhodna moč znašala le 2,5 W, danes pa prek kablov in priključkov USB Type-C® lahko zagotovi do 240 W moči za napajanje, poleg tega pa tudi prenos podatkov in videa. Ta posodobitev je znana pod imenom Extended Power Range (EPR) ali USB Power Delivery Specification 3.1 (USB PD 3.1), ki jo je uvedlo združenje USB Implementers Forum (USB-IF). EPR uporablja višje napetostne ravni, in sicer 28 V, 36 V in 48 V, ki pri toku 5 A zagotavljajo moč 140 W, 180 W oziroma 240 W.
USB PD 3.1 omogoča nastavitev napetosti, kar omogoča uporabo vmesnih napetosti med 9 V in najvišjo fiksno napetostjo polnilnika. To zagotavlja večjo prilagodljivost, saj se tako lahko zadovoljijo potrebe posameznih naprav po napajanju. USB PD 3.1 je združljiv z nazaj s prejšnjimi različicami USB, vključno z različico Legacy do 15 W (5 V/3 A) in načinom Standard Power Range (SPR) do 100 W (20 V/5 A).
Zmožnost prilagajanja porabe energije za vsako napravo je pomembna prednost te specifikacije; naprava namreč porabi le toliko energije, kolikor jo potrebuje, kar se razlikuje glede na namembnost. To velja za periferno opremo, kjer proces upravljanja z energijo omogoča, da vsaka naprava porabi le toliko energije, kolikor jo potrebuje.
Specifikacija USB PD 3.1 se uporablja v številnih področjih, med drugim v prenosnih računalnikih, igralnih postajah, monitorjih, industrijskih strojih in orodjih, majhnih robotih in dronih, električnih kolesih in še mnogih drugih.
Microchip USB-PD Demo plošča
Podjetje Microchip ponuja demonstracijsko aplikacijo z dvojnim polnilnim vmesnikom USB Power Delivery (PD) [1], ki podpira specifikacijo USB PD 3.1. Referenčna plošča MCP19061 USB PD Dual Charging Port (DCP) (slika 1) je že sestavljena tako, da prikazuje uporabo te tehnologije v praktičnih aplikacijah. Plošča je v celoti sestavljena, programirana in preizkušena, da omogoča preskušanje in predstavitev digitalno krmiljenih aplikacij za pametno polnjenje različnih USB-PD naprav, pri čemer vsaka priključena naprava lahko zahteva optimalno raven napajanja za svoje delovanje.
Na plošči je prikazan primer polnilnega vezja z zanesljivimi zaščitami, porazdelitvijo polnilne moči med dva priključka ter dinamično prilagodljivim profilom polnjenja (napetost in tok) za določeno obremenitev. Ta funkcija uravnavanja moči med priključki omogoča boljši nadzor nad procesom polnjenja, hkrati pa zagotavlja ustrezno količino energije za vsako napravo.
Plošča zagotavlja izhodne napetosti od 3 V do 21 V in izhodne tokove od 0,5 A do 3 A. Njen največji obseg vhodne napetosti je od 6 do 18 V, pri čemer je priporočena vrednost 12 V.
Plošča je opremljena s programsko opremo, zasnovano za delovanje z grafičnim uporabniškim vmesnikom (GUI), ter vsebuje priključke za programiranje prek serijskega vmesnika v vezju (ICSP) in I2C komunikacijo. Priložena USB serijsko povezovalna plošča (kot je na primer plošča BB62Z76A MCP2221A USB) v kombinaciji z GUI omogoča hitro preizkušanje različnih konfiguracij z dejanskimi napravami, ki se polnijo prek obeh vrat. Za DCP grafični vmesnik plošče je potreben računalnik z operacijskim sistemom Microsoft Windows 7–11 in vmesnikom USB 2.0. Grafični vmesnik prikazuje parametre, stanje plošče in napake ter omogoča konfiguracijo s strani uporabnika.
Komponente na DCP plošči
Ker gre za ploščo z dvema vmesnikoma, sta na voljo dva neodvisna USB-PD kanala (slika 2), od katerih ima vsak svoj namenski analogni sprednji del (AFE). AFE v napravi Microchip MCP19061 je digitalno krmiljen buck-boost močnostni krmilnik s štirimi stikali namenjen za mešane signale z vgrajenimi sinhronimi gonilniki in z vmesnikom I2C; glej blok diagram na sliki 3.
Poleg tega je v enem od kanalov vgrajen čip Microchip MCP22350, visoko integriran USB Type-C PD 2.0 krmilnik majhnih dimenzij, medtem ko je v drugem kanalu vgrajen čip Microchip MCP22301, samostojni krmilnik USB Type-C PD vmesnika, ki podpira specifikacijo USB PD 3.0. MCP22350 deluje kot spremljevalni PD krmilnik za zunanji mikrokontroler, sistemom na čipu (SoC) ali USB vozliščem, medtem ko je MCP22301 integrirana PD naprava z funkcionalnostjo mikrokontrolerja SAMD20, nizkoenergijskega 32-bitnega Arm® Cortex®-M0+, z dodanim PD nadzorom dostopa do medija in fizičnim slojem (MAC/PHY) MCP22350.
Vsak kanal ima tudi lastno zaščito za vmesnik USB Type-C UCS4002, ki ščiti pred napakami ter hkrati zagotavlja nemoten potek polnjenja in prenosa podatkov; glej sliko 4.
V vtičnici USB tipa C so običajno vgrajene podatkovne linije D+/D- (USB 2.0), linije Rx/Tx za USB 3.x ali USB 4, linije konfiguracijskega kanala (CC) za nadzor načina polnjenja, linije za uporabo stranskega pasu (SBU) za dodatne funkcije ter ozemljitev (GND). UCS4002 ščiti linije CC in D+/D- pred kratkim stikom z akumulatorjem. Poleg tega zagotavlja zaščito pred kratkim stikom baterije z maso (SG_SENS) za vtičnice za polnjenje. Vgrajeni preklopni FET-i VCONN (VCONN je namenski priključek za napajanje v priključku USB Type-C) zagotavljajo zaščito pred prenapetostjo, podnapetostjo, povratno napetostjo in prevelikim tokom prek napetosti VCONN. Vhodni vodnik plošče vključuje PMOS stikalo za zaščito pred obratno polariteto in CLC EMI filter. Na voljo so tudi funkcije, kot sta varovalka VDD in termična zaščita, ki ju omogoča namenski temperaturni senzor MCP9700, ki spremlja temperaturo plošče.
UCS4002 omogoča tudi nastavljivo poročanje o napakah prek izhoda FCONFIG, kar uporabnikom omogoča, da nastavijo delovanje izhoda FAULT#. Izhodi CC, D+, D- in SG_SENS so zaščiteni pred elektrostatičnimi razelektritvami (ESD) v skladu s standardoma IEC 61000-4-2 in ISO 10605.
DCP plošča vključuje pomožno napajanje, ki ga zagotavlja integriran stikalni regulator MCP16331, ki omogoča napetost +5 V, ter linearni regulator MCP1825 LDO, ki zagotavlja pomožno napetost +3,3 V.
Delovanje plošče
Plošča MCP19061 DCP prikazuje, kako deluje vezje MCP19061 v topologiji buck-boost s štirimi stikali, namenjeni napajanju USB naprav in njihovemu polnjenju z zahtevano napetostjo znotraj dovoljenega območja, ne glede na vrednost vhodne napetosti. Naprava je zasnovana tako, da samostojno uravnava izhodno napetost in tok za vsak USB kanal (njun posamezni profil polnjenja), hkrati pa komunicira z napravami, priključenimi prek USB-C, z uporabo USB-PD protokolov.
Vse obratovalne parametre je mogoče programirati z uporabo dveh vgrajenih Microchip USB-PD krmilnikov, in sicer z dinamično prekonfiguracijo in prilagajanjem postopkov polnjenja, pretvorbe energije ter drugih sistemskih parametrov. Demo plošča prikazuje, kako omogočiti funkcijo hitrega polnjenja USB PD Programmable Power Supply (PPS) – napredno tehnologijo polnjenja, ki v realnem času prilagaja napetost in tok, da se glede na stanje polnjenja naprave doseže največja možna izhodna moč.
Naprava MCP19061 deluje v povezavi s krmilnimi zankami za merjenje toka in napetosti, s čimer nadzoruje in uravnava napetost in tok obremenitve. Poleg tega plošča samodejno zazna prisotnost ali odstranitev obremenitve, ki je skladna z USB-PD standardom.
Ko se naprava, združljiva z USB-PD standardom, priključi na USB-C vrata 1 (na desni strani tiskanega vezja, to je zgornje strani), se vzpostavi USB komunikacija, plošča MCP19061 DCP pa v oknu za vrata 1 prikaže profile polnjenja.
Če je na USB-C-vmesnik 2 priključena še ena naprava z USB-PD, se okno za vmesnik 2 zapolni na enak način.
Microchip MCP19061 PWM krmilnik
MCP19061 je visoko integriran, krmilnik mešanih signalov s štirimi stikali za buck-boost pretvorbo, ki deluje v območju od +4,5 V do +36 V in v mirovanju prenese napetost do +42 V. V MCP19061 so bile vgrajene različne izboljšave, ki zagotavljajo združljivost z USB-PD standardom ob minimalnem številu zunanjih komponent, kar omogoča boljšo kalibracijo, natančnost in prilagodljivost. Opremljen je z digitalnim PWM krmilnikom s serijskim komunikacijskim vodilom za zunanje programiranje in poročanje. Modulator uravnava pretok moči z nadzorovanjem dolžine vklopnih in izklopnih obdobij signala oziroma širine impulzov.
Delovanje vezja MCP19061 omogoča učinkovito pretvorbo energije, saj lahko deluje v topologijah buck (zniževanje napetosti), boost (povečanje napetosti) in buck-boost za različne napetostne ravni, ki so nižje, višje ali enake vhodni napetosti. Zagotavlja odlično natančnost in učinkovitost pri pretvorbi energije za ugnezdene sisteme, hkrati pa zmanjšuje izgube energije na minimum. Med njegove značilnosti spadajo nastavljive frekvence preklapljanja, vgrajeni MOSFET gonilniki in napredna zaščita pred napakami. Delovne parametre, stopnje zaščite in postopke obravnavanja napak nadzira lastniški avtomat stanja, shranjen v trajnem pomnilniku, v katerem so shranjeni tudi tekoči parametri.
Notranji digitalni registri skrbijo za prilagajanje obratovalnih parametrov, profilov zagona in zaustavitve, stopenj zaščite ter postopkov obravnavanja napak. Za nastavitev izhodnega toka in napetosti se uporablja vgrajena zelo natančna referenčna napetost. Notranji delilniki vhodnega in izhodnega signala olajšujejo načrtovanje ob ohranjanju visoke natančnosti. Zelo natančen ojačevalnik za merjenje toka (CSA) omogoča natančno regulacijo in merjenje toka.
MCP19061 vsebuje tri notranje LDO napetostne regulatorje: 5 voltni LDO (VDD) za napajanje notranjih analognih vezij in gonilnikov vrat ter za zunanjo oskrbo z 5 V, 4 voltni LDO (AVDD) za napajanje notranjih analognih vezij in 1,8 voltni LDO za napajanje notranjih logičnih vezij. MCP19061 je vgrajen v 32 pin VQFN ohišje velikosti 5 mm x 5 mm, kar sistemskim oblikovalcem omogoča, da prilagodijo funkcije za posamezne aplikacije brez potrebe po dragem prostoru na plošči in dodatnih stroškov za komponente. Serijsko vodilo I2C s hitrostjo 1 MHz omogoča komunikacijo med MCP19061 in sistemskim krmilnikom.
MCP19061 omogoča zunanje programiranje. Za nadaljnje preizkušanje in testiranje Microchip ponuja namensko testno ploščo za MCP19061, model EV82S16A.
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.
