آموزش USB-C شارژ سریع بدونه Firmware

تمایل نمایش‌گرهای بزرگ‌تر، افزایش کارایی و توان عملیاتی بالاتر در تلفن‌های هوشمند ۵ G نیاز به ظرفیت باتری بزرگ‌تر با قابلیت شارژ سریع دارد. چالش طراحان این است که فراتر از روش‌های مرسوم شارژ حرکت کند که منجر به گرم شدن بیش از حد باتری در سطوح قدرت لازم برای برآورده کردن انتظارات مصرف‌کننده برای شارژ سریع می‌شود.

معرفی سیستم تامین برق قابل‌برنامه‌ریزی (PPS)در انتقال توان یو اس بی نوع سی (USB-C) به ارایه یک راه‌حل موثر کمک می‌کند، اما توسعه firmware مورد نیاز هنوز هم می‌تواند تحویل محصول را عقب بیاندازد یا کلا از بین ببرد .

این مقاله مشکلات مربوط به شارژ سریع تلفن های همرا ۵ G و اینکه چگونه USB-C PD 3.0 PPS می‌تواند به طراحان کمک کند تا الزامات را برای شارژ سریع شارژ باتری‌های بزرگ‌تر برآورده کنند را توضیح می‌دهد. سپس معرفی و نشان می‌دهد که چگونه توسعه دهندگان می‌توانند از یک ترکیب بسیار یکپارچه در کنترل‌کننده USB – C استفاده کنند که (PPS) را در یک ماشین حالت متناهی (FSM)به اجرا در می‌آورد. این امر نیاز به توسعه سخت‌افزار را حذف می‌کند و در نتیجه اجرای سریع شارژ سریع برای نسل بعدی را تسریع می‌کند.

گوشی‌های هوشمند قوی‌تر، چالش‌های جدیدی را برای شارژ سریع به ارمغان می‌آورند

طبق گفته تحلیلگران بازار، انتظار می‌رود که در حدود ۵۰ درصد از کل محموله‌های گوشی هوشمند تا سال ۲۰۲۳ در نظر گرفته شوند. با این حال، در استفاده از این تلفن‌ها برای استفاده از خدمات ۵ G، کاربران دریافتند که پایه موجود of تلفن و ایستگاه‌های شارژ، تطابق ضعیفی با الزامات شارژ سریع این نسل جدید از گوشی‌های هوشمند خواهند داشت.
همانطور که قبلا در ۵ G تلفن از قبیل Ultra S۲۰ Samsung ۵ G مشاهده شد، این دستگاه‌های پیچیده نمایش بزرگتری می‌دهند، همچنین قابلیت پردازش بیشتر و توان عملیاتی بسیار بیشتری نسبت به گوشی‌های نسل قبلی وجود دارد. برای مطابقت با نمایش‌های بزرگ‌تر و در نتیجه مصرف توان بالاتر، ۵ G موجود در دسترس دارای باتری‌های بزرگتری هستند. به عنوان مثال، the S۲۰ ۵ ۵ G یک صفحه نمایش ۶.۹ اینچ را نشان می‌دهد و یک ظرفیت ۵۰۰۰ ساعت باتری (mAh)- ۲۵ درصد بزرگ‌تر از مدل قبلی را در بر می‌گیرد.
در حالی که مصرف کنندگان انتظار دارند عمر باتری طولانی‌تر با باتری‌های ظرفیت بزرگ‌تر در دسترس باشد، آن‌ها همچنین انتظار دارند که زمان شارژ حتی کوتاه‌تر از ۲۵ درصد باشد. برای تولید کنندگان به دنبال برآورده کردن تقاضای رو به رشد برای ایستگاه‌های شارژ در وسایل نقلیه، خانه‌ها و ادارات، نیاز به کاهش زمان شارژ باتری‌های ظرفیت بالاتر، چالش مهمی در مواجهه با محدودیت‌های خود باتری است.
تولید کنندگان باتری‌های لیتیوم – یونی (Li – ion)آستانه شدید برای شارژ ولتاژ و ولتاژ را مشخص می‌کنند. یک باتری لیتیوم – یونی معمولی در ۱۰۰۰ mAh به طور معمول برای نرخ شارژ ۰.۷ C، یا ۷۰۰ mA جریان شارژ می‌شود. برای یک باتری ۵،۰۰۰ که به طور کامل کاهش‌یافته است، نرخ شارژ ۰.۷ درجه سانتیگراد (یا ۳۵۰۰ mA جریان)به حدود ۴۵ دقیقه برای رسیدن به ۵۰ % هزینه نیاز دارد.
فن‌آوری‌های پیل سوختی پیشرفته بیشتر می‌توانند نرخ شارژ بیشتر از ۱ درجه سانتی گراد را پشتیبانی کنند، اما هم شارژر ماشین و هم دستگاه شارژ باید به طور چشمگیری سطوح توان بالاتری را جا به جا کنند. برای مثال، یک باتری ۵،۰۰۰ mAh که در یک نرخ ۱.۵ C بالاتر شارژ می‌شود، تنها به ۲۲ دقیقه برای شارژ از ۰ % به ۵۰ % نیاز دارد، اما ۷.۵ آمپر (A)جریان شارژ می‌تواند اجزای استرس زا ایجاد کرده و بار گرمایی اضافی را حتی در سیستم‌های شارژ بسیار کارآمد تولید کند. در حقیقت، با پذیرش گسترده یواس‌بی – C به عنوان واسط استاندارد برای قدرت و قابلیت‌های دیگر، یک شارژر سازگار با حداکثر جریان می‌تواند در عرض کابل USB به ارمغان بیاورد. حداکثر جریان ۵ A برای کابل‌های USB است که حاوی an IC است که اطلاعات کابل را برای دستگاه‌های متصل فراهم می‌کند. (برای کابل‌های non، حداکثر جریان ۳ A است).
تولید کنندگان ابزار سیار می‌توانند با وارد کردن یک پمپ بار بین ورودی تامین و مدار شارژ باتری بر این محدودیت غلبه کنند. برای مثال، برای پشتیبانی از یک سیستم شارژ ۷.۵ A، آداپتور سفر می‌تواند ۱۰ ولت را در ساعت ۴ A تحویل دهد، با تکیه به یک پمپ دو شارژ معمولی به خروجی ۵ ولت در حدود ۸ A تا مدار شارژ. این رویکرد، یک آداپتور سفر را قادر می‌سازد تا ولتاژ USB – C (VBUS)را افزایش دهد در حالی که یک سطح جریان سازگار با C – C را حفظ می‌کند.

افزایش قدرت شارژ به کنترل بیشتری نیاز دارد.


پشتیبانی از سطوح VBUS بزرگ‌تر از ۵ ولت، استفاده از این ولتاژ بالا، نزدیک شدن پایین را امکان پذیر ساخته‌است. استاندارد یواس‌بی ۲.۰ یک سری از اشیا تحویل برق ثابت را تعریف می‌کند که ترکیبات سطوح ولتاژ ثابت را مشخص می‌کند (۵، ۹، ۱۵، و ۲۰ ولت)و جریان‌های (۳ یا ۵ A).

اگرچه PD به یواس‌بی ۲.۰ ثابت شده قدرت شارژ بالاتر را فعال می‌کند، ولتاژ شارژ و جریان را در سطوح ثابت نگه می‌دارد که خیلی بالا یا خیلی پایین هستند، می‌تواند منجر به شارژ ناکافی، باره‌ای حرارتی غیرقابل‌قبول، و فشار بر روی اجزا شود. در عمل، زمانی که ولتاژ ورودی (عرضه‌شده توسط یواس‌بی – C)کمی بالاتر از ولتاژ خروجی (ولتاژ باتری)است، مدارهای شارژ در کارایی بهینه عمل می‌کنند. از آنجا که ولتاژ باتری دایما در طول عملیات نورمال تغییر می‌کند، با این حال، حفظ این نقطه از کارایی شارژ بهینه یک چالش است. با تخلیه باتری، تفاوت بین ولتاژ باتری و ولتاژ شارژ – C (VBUS)افزایش خواهد یافت و کارایی شارژ را کاهش خواهد داد. در مقابل، هنگامی که باتری شارژ می‌شود، مدار شارژ باید جریان شارژ را برای محافظت از باتری کاهش دهد.

بدون توانایی برای کاهش مستقیم میزان شارژ شده توسط آداپتور سفر، اتلاف انرژی افزایش خواهد یافت، بهره‌وری کاهش می‌یابد و گرما تولید می‌کند. در نتیجه، سطح شارژ بهینه دایما تغییر می‌کند، اغلب در مقادیر فزاینده، نیازمند سطح افزایشی مشابه کنترل بر ولتاژ شارژ و جریان برای رسیدن به حداکثر بهره‌وری است.

چگونه USB-C PD 3.0 PPS سیستم حفاظت شخصی بهره‌وری را افزایش می‌دهد.

برای پاسخگویی به نیاز فزاینده برای شارژ کارآمدتر در قدرت شارژ بالاتر، قابلیت استفاده از شارژ (sink)برای تقاضا (منبع)برای افزایش یا کاهش ولتاژ شارژ و جریان در mv و پله‌ای که در PDOs تقویت‌شده تبلیغ می‌شود، اجازه می‌دهد که دستگاه شارژ شود (منبع). با استفاده از این قابلیت، یک سینک می‌تواند ولتاژ و جریان منبع خود را تنظیم کند تا کارایی شارژ بهینه شود.
معرفی سیستم حفاظت شخصی به طور چشمگیری روشی که فرآیند شارژ عمل می‌کند را تغییر می‌دهد. در گذشته، شارژر منبع هر دو الگوریتم شارژ را کنترل و اجرا می‌کند. با سیستم حفاظت شخصی، کنترل الگوریتم شارژ به سینک منتقل می‌شود و مستلزم آن است که منبع الگوریتم را به صورت هدایت‌شده توسط سینک اجرا کند.
با سیستم حفاظت شخصی، یک گوشی هوشمند و یا سینک دیگر با یک منبع شارژ برای بهینه‌سازی تحویل برق، رسیدن به یک قرارداد مذاکره دوستانه دو جانبه با تبادل مختصر به شرح زیر ارتباط دارد:
1. منبع می‌فهمد که آیا کابل اتصال ۵ * توانا است یا نه.

2.این منبع ولتاژ منبع و قابلیت‌های فعلی خود را در تعداد ۷ PDOs تبلیغ می‌کند.

3.سینک یکی از the تبلیغ شده را درخواست می‌کنداین منبع the درخواست‌شده را می‌پذیرد

4.این منبع قدرت در سطوح ولتاژ و جریان حاضر را تامین می‌کند.

دستگاه‌های همراه پیشرفته مثل تلفن ۵ G سامسونگ به تازگی از این قابلیت برای ارائه یک شارژ سریع با استفاده از chargers سازگار استفاده می‌کنند. برای تولید کنندگان با طراحی سریع شارژ و ساخت ایستگاه‌های شارژ در سایر محصولات، اجرای این نوع پروتکل شارژ معمولا نیازمند توسعه of کنترل‌کننده است که می‌تواند پروتکل را اجرا کرده و دستگاه‌های قدرت مرتبط را راه‌اندازی کند. با این حال، برای یک استاندارد تثبیت‌شده از سیستم حفاظت شخصی PD، یک راه‌حل FSM یک جایگزین موثر ارایه می‌دهد، و نیاز به توسعه سفت‌افزار را حذف می‌کند که می‌تواند تحویل نهایی محصول را به تاخیر بیاندازد. با استفاده از پیاده‌سازی FSM با استفاده از پیاده‌سازی FSM در گروه USB-C PD 3.0 PPS از جمله سیستم حفاظت شخصی، کنترل‌کننده شارژ باتری Semiconductor ” توسعه of را قادر می‌سازد تا الزامات شارژ سریع تلفن‌های هوشمند نسل بعدی و دیگر دستگاه‌های همراه با باتری ظرفیت بالا را برآورده کند.


کنترل‌کننده یکپارچه برای USB-C PD 3.0 PPS مطابق با chargers سریع

در FUSB۳۳۰۷ Semiconductor یک کنترل‌کننده منابع توان یکپارچه است که پیاده‌سازی سیستم USB-C PD 3.0 PPS فردی بدون نیاز به یک پردازشگر خارجی را ممکن می‌سازد. علاوه بر تشخیص کابلی، درایور دریچه بار، مشخصه‌های حفاظت چندگانه، و ولتاژ ثابت (CV)و ولتاژ ثابت (CC)، این دستگاه کنترلر کامل سیاست دستگاه، موتور سیاست، پروتکل و لایه فیزیکی را در سخت‌افزار ادغام می‌کند.
FUSB۳۳۰۷ برای پشتیبانی از chargers AC / DC و DC / DC طراحی شده‌اند، the می‌توانند مجموعه کاملی از پاسخ‌های مناسب به یک منبع قدرت PD را ارایه دهند. در نتیجه، طراحان می‌توانند یک منبع تامین سازگار با USB-C PD 3.0 PPS و چند دستگاه و اجزای اضافی دیگر را پیاده‌سازی کنند.


هنگامی که به سینک متصل شد، FUSB۳۳۰۷ به طور خودکار قابلیت‌های دستگاه سینک را تشخیص داده و کابل را اتصال خواهد داد و قابلیت‌های آن را مطابق با مشخصات یواس‌بی – C تبلیغ خواهد کرد. هنگامی که سینک با انتخاب یک PDO پشتیبانی شده پاسخ می‌دهد، FUSB۳۳۰۷ مدار برق VBUS و کنترل را قادر خواهد ساخت تا اطمینان حاصل شود که ولتاژ شارژ شده و سطوح جاری به سینک داده می‌شوند.
از آنجا که the مجموعه کاملی از قابلیت کنترل را ادغام می‌کند، اصول بنیادین عملیات یک‌سان برای طراحی شارژ DC / DC و DC / DC باقی می‌مانند. در پاسخ به دستور the، the در منبع از پین خروجی cath برای ایجاد سیگنال کنترل بازخورد به مرحله قدرت منبع استفاده می‌کند. در طول عملیات شارژ، FUSB۳۳۰۷ با استفاده از پین VFB و جریان شارژ در یک مقاومت حسی با استفاده از پین‌های – + / IS، ولتاژ را شارژ می‌کند. این سطوح تحت نظارت در تبدیل به ولتاژ داخلی و مدارهای خطای حلقه جریان به ولتاژ (VFB)و پین‌های جریان (IFB)جریان دارند. این سیگنال‌ها به نوبه خود برای کنترل پین cath برای CV و کنترل CC کار می‌کنند. Other دیگر در بسته ۱۴ – pin مدار مجتمع FUSB۳۳۰۷ (SOIC)از محرک گیت بار، رابط اتصال‌دهنده USB – C و ویژگی‌های حفاظت پشتیبانی می‌کند.


کنترل‌کننده منابع FUSB۳۳۰۷ طراحی شارژر ماشین را تسهیل می‌کندطراحی برای هر نوع شارژر از پیکربندی‌های مختلفی برای خروجی cath اولیه، ورودی VFB و دیگر گیره‌ها استفاده خواهد کرد. در یک شارژر دیوار AC / DC یا آداپتور AC / DC، FUSB۳۳۰۷ کنترل ولتاژ و جریان را در سمت ثانویه کنترل می‌کند و بازخورد کنترلی را به سمت اولیه هدایت می‌کند (شکل ۱).

شکل ۱: در طرح AC / DC برای شارژر دیوار یا آداپتور، the به دستورها یک وسیله سینک برای ولتاژهای شارژ مختلف با کنترل کنترلر PWM از طریق یک optocoupler ایزوله کننده، پاسخ می‌دهد. (منبع تصویر: در Semiconductor)

در طراحی شارژ، پین خروجی FUSB۳۳۰۷ cath معمولا به کاتد optocoupler در سمت ثانویه متصل می‌شود تا سیگنال کنترل بازخورد را به یک کنترل‌کننده مدولاسیون پهنای پالس (PWM)تحویل دهد، مانند the ON Semiconductor. در بخش ثانویه، ولتاژ FUSB۳۳۰۷ و ورودی‌های منطقی جریان خروجی کنترل‌کننده یک یکسو کننده همزمان، مانند the ON Semiconductor را کنترل می‌کنند.

برای مثال در یک طرح ماشین DC / DC که در یک کاربرد خودرو استفاده می‌شود، FUSB۳۳۰۷ مستقیما کنترل‌کننده DC / DC را کنترل می‌کند. در اینجا سیگنال بازخورد FUSB۳۳۰۷ cath به pin (COMP)یک کنترل‌کننده DC / DC مانند the ON NCV۸۱۵۹۹ متصل می‌شود (شکل ۲).

شکل ۲: در طرح شارژر DC / DC برای شارژر ماشین، the مستقیما خروجی ولتاژ یک کنترلر DC / DC را کنترل می‌کند، و یا خروجی را به عنوان فرمان تحت فرمان یک سینک، مانند تلفن ۵ G یا دیگر دستگاه‌های تلفن همراه، کنترل می‌کند. (منبع تصویر: در Semiconductor)

در Semiconductor، طراحی شارژر DC / DC خاص را در هیات ارزیابی FUSB۳۳۰۷MX – PPS برای the پیاده می‌کند. این هییت برای راه‌اندازی یک منبع برق DC واحد طراحی‌شده، یک منبع شارژ کامل سازگار با PD USB ۳.۰ با سیستم حفاظت شخصی، ارایه ۵ A جریان (حداکثر)در سطوح VBUS از حداقل ۳.۳ ولت در برابر حداکثر ۲۱ ولت را فراهم می‌کند.

هییت ارزیابی به توسعه دهندگان این امکان را می‌دهد تا تعامل FUSB۳۳۰۷ با دستگاه‌های سازگار با یواس‌بی ۳.۰ را بررسی کنند، و همچنین دستگاه‌های USB ۲.۰ PD ۲.۰ را به دست آورند. توسعه‌دهندگان می‌توانند به سرعت فرآیند شارژ سریع را با نظارت بر ولتاژ و جریان تحویل داده‌شده توسط بورد به یک وسیله قادر به استفاده از یک دستگاه قادر به استفاده از یک لپ‌تاپ یا گوشی هوشمند شروع کنند.

این رویکرد بینش خاص را در توانایی FUSB۳۳۰۷ برای تعامل با یک گوشی یواس‌بی ۲.۰ ۳.۰ G، و همچنین استفاده از تلفن همراه با استفاده از پروتکل یواس‌بی ۲.۰ ۳.۰ برای بهینه‌سازی ولتاژ شارژ و جریان فعلی ارایه می‌دهد. در یک نمایش از این قابلیت، یک سری از – S۲۰ S۲۰ ۵ G برای صدور مجموعه‌ای از فرمان‌ها به هییت ارزیابی FUSB۳۳۰۷MX – PPS برای اصلاح ولتاژ شارژ و جریان در هر دو مرحله بزرگ و کوچک (شکل ۳)پیدا شده‌است.

شکل ۳: هیات نمایندگی Semiconductor FUSB۳۳۰۷MX – PPS – GEVB توانایی واکنش FUSB۳۳۰۷ را نشان می‌دهد تا به دستورها گوشی تلفن همراه ۵ G پاسخ دهد تا ولتاژ شارژ و جریان شارژ را تنظیم کند. (منبع تصویر: در Semiconductor

بعد از این که صفحه و گوشی در این نمایش متصل شدند، گوشی ۵ G the مبنا (۵ ولت و حداکثر ۵.۰۰ A)را همانطور که در ۱۰ ثانیه اول این رقم نشان داده شد انتخاب می‌کند. در این مرحله، ولتاژ شارژ (VBUS)۵ ولت است و تلفن ۵ G در حال غرق شدن در حدود ۲ یک جریان شارژ (IBUS)است. پس از آن، گوشی تلفن همراه درخواست یک PDO تقویت‌شده را می‌دهد که توانایی منبع را برای تامین ۸ ولت در ساعت ۴ A اعلام می‌کند. FUSB۳۳۰۷ با این درخواست مطابقت دارد و تغییر فوری است: VBUS به ۸ ولت به صورتی که تقاضا شده افزایش می‌یابد و IBUS افزایش تدریجی را با افزایش جریان ۵ G در جریان IBUS نشان می‌دهد.

پس از این پرش تیز در VBUS، افزایش افزایشی در توان شارژ با سیستم حفاظت شخصی آشکار می‌شود. در هر ۲۱۰ میلی‌ثانیه (ms)، ۴۰ تا ۴۰ ثانیه (mv)افزایش می‌یابد و به تدریج VBUS را به سطوح بالاتر افزایش می‌دهد. هنگامی که IBUS به ۴ A (خط سبز تیره در شکل)می‌رسد، FUSB۳۳۰۷ از پروتکل سیستم حفاظت شخصی استاندارد برای صدور یک پیام هشدار برای مطلع کردن تلفن ۵ G که حد فعلی تقاضا به آن رسیده‌است استفاده می‌کند. تلفن ۵ G همچنان به صدور درخواست برای افزایش بیشتر در افزایش‌های ۴۰ mv ادامه می‌دهد و در نهایت به ۹.۸ ولت می‌رسد. در استفاده روزمره، این نوع از قابلیت شارژ منبع انطباقی می‌تواند به حداکثر بازده شارژ مورد نیاز برای شارژ سریع بدون گرم شدن بیش از حد و یا به خطر انداختن دستگاه سینک دست یابد.

با استفاده از شرکت نیمههادی FUSB۳۳۰۷MX – PPS – GEVB، توسعه دهندگان می‌توانند به سرعت استفاده از PD C – C را در وسایل موجود مورد بررسی قرار دهند و طرح مرجع مربوطه را بسط دهند تا شارژ سریع سفارشی را اجرا کنند که در همه این موارد اجرا به هیچ توسعه سفت‌افزار نیاز ندارد. با the، توسعه دهندگان از تکنیک‌های تامین توان آشنا برای ساخت adaptors استفاده می‌کنند که قادر به استفاده کامل از قابلیت‌های شارژ سریع نسل بعدی نسل ۵ G و دیگر دستگاه‌های سازگار هستند.

نتیجه‌گیری
در حالی که ۵ تلفن G منبع امکانات و قابلیت‌های جدید را برای کاربران به ارمغان می‌آورد، باتری‌های ظرفیت بزرگ‌تر مورد نیاز برای پشتیبانی از این دستگاه‌ها، طراحان را به چالش می‌کشند. به طور خاص، آن‌ها باید اطمینان حاصل کنند که ایستگاه‌های شارژ و ایستگاه‌های شارژ، بدون گرم کردن بیش از حد، شارژ سریع را انجام می‌دهند.

با استفاده از قابلیت‌های compliant USB، ۳ توانمندی‌های حفاظت شخصی – و هیچ نیازی به توسعه سفت‌افزار – در کنترل‌کننده شارژ FUSB۳۳۰۷ Semiconductor Semiconductor یک راه‌حل طراحی فوری ارایه می‌دهد. با استفاده از این کنترلر در ترکیب با دستگاه‌های تامین توان آشنا و مولفه‌ها، توسعه دهندگان می‌توانند به سرعت adaptors را به کار گیرند که قادر به پشتیبانی از پایگاه سرعت در حال توسعه of USB ۳.۰، ۳ G و سایر دستگاه‌های تلفن همراه.

Convergence of 5G, Fast Charging and USB-C Programmable Power Supplies