Bewältigung der Design-Herausforderungen von USB-Typ-C-PD-Anwendungen

Wenn Benutzer ihre Geräte mühelos und ohne Probleme mit USB Typ-C Power Delivery (PD) aufladen können, können sich Produktdesigner über ein gelungenes Projekt freuen. Das liegt daran, dass es ihnen gelungen ist, die komplexen Herausforderungen des USB-PD-Ladens zu meistern.

USB PD ist auf Skalierbarkeit ausgelegt und wird häufig in Laptops, Smartphones, Peripheriegeräten und IoT-Geräten eingesetzt, wodurch der Bedarf an proprietären Stromadaptern reduziert wird. Die Technologie ist bahnbrechend, denn sie verfügt über einen wendbaren Stecker, der flexibles Laden und Datenübertragung mit hoher Leistung ermöglicht.

Der Steckverbinder kann verschiedene Spannungen und Leistungen verarbeiten, von 5 V bis 20 V und bis zu 100 W oder mehr. Außerdem kann es zwischen Stromquellen und -senken umschalten, um eine effizientere Energieverwaltung zu gewährleisten. Das Ergebnis ist eine schnelle Aufladung, Kompatibilität mit mehreren Geräten und eine effiziente Energieübertragung mit integrierten Sicherheitsfunktionen wie Überspannungs- und Überstromschutz.

USB PD ermöglicht zwar ein schnelleres Aufladen und eine höhere Stromübertragung für die Benutzer, führt aber zu einer höheren Komplexität des Designs. Die Anwendungen müssen in der Lage sein, den Rollentausch zwischen Stromquelle und -senke zu handhaben, die Konformität mit USB PD 3.0 zu gewährleisten und benötigen möglicherweise Firmware zur Verwaltung von Stromprofilen.

Geräte, die diese Anschlüsse verwenden, wie z. B. Laptops, Tablets und Powerbanks, müssen in der Lage sein, von verschiedenen Stromquellen (USB-C, Wandadapter, Batterien) geladen zu werden und dabei eine hohe Effizienz beizubehalten. Einige Entwürfe sind entweder auf Abwärts- oder Aufwärtsladung beschränkt, was sie im Umgang mit variablen Eingangsspannungen ineffizient macht.

Weitere Themen sind die Minimierung der Wärmeentwicklung bei der Stromumwandlung, die Gewährleistung der Kompatibilität mehrerer Geräte mit verschiedenen Ladegeräten und Zubehör sowie die Energieeffizienz bei kompakten Designs.

Einfache Anwendungen mit festem Stromverbrauch benötigen möglicherweise keine Firmware, Anwendungen für dynamische oder Multi-Role-USB-PD-Anwendungen hingegen schon. Viele moderne USB-PD-Controller benötigen Firmware, um die Leistungsaushandlung, den Rollentausch und zusätzliche Sicherheitsfunktionen zu verwalten.

Vereinfachung und Optimierung der USB-PD-Stromübertragung

Renesas Electronics Corporation bietet eine USB-PD-EPR-Lösung (Extended Power Range) an, die einen Typ-C-Port-Controller und ein Buck-Boost-Ladegerät umfasst, die zusammen die Komplexität reduzieren und die Energieversorgung für effiziente und zuverlässige USB-PC-Designs optimieren.

Der USB-Typ-C-Port-Controller RAA489400 von Renesas (Abbildung 1) reduziert die Komplexität der Firmware durch die Integration wichtiger USB-PD-3.0-Funktionen wie Leistungsaushandlung, Rollentausch und Sicherheitsschutz, die andernfalls viel Entwicklungszeit und Kosten erfordern würden. Die Stromversorgung kann zwar eigenständig erfolgen, aber für eine erweiterte Steuerung oder benutzerdefinierte Stromprofile ist möglicherweise eine MCU erforderlich.

Abbildung 1: Der Port-Controller RAA489400 von Renesas integriert wichtige USB-PD-3.0-Funktionen. (Bildquelle: Renesas Electronics Corporation)

Der RAA489400 vereinfacht die USB-PD-Konformität, indem er Rollentausch, Verhandlungen und Fehlerschutz handhabt. Er unterstützt Hochleistungsanwendungen mit bis zu 240 W und eignet sich daher für batteriebetriebene Mobilgeräte, Powerbanks und Desktops, Elektrofahrräder und Drohnen, Industriesysteme und Haushaltsgeräte wie Staubsauger.

Der Controller verfügt über einen integrierten Analog/Digital-Wandler zur präzisen Überwachung von VBUS-Spannung und -Strom, was eine Optimierung der Stromversorgung in Echtzeit ermöglicht. Die SMBus/I²C-Kommunikation ermöglicht die nahtlose Integration mit Typ-C-Port-Managern (TCPMs), wodurch die Kompatibilität mit Multi-Port-Systemen gewährleistet und die Firmware-Entwicklung vereinfacht wird.

Die Buck-Boost-Ladekomponente RAA489118 von Renesas (Abbildung 2) ist ein hocheffizientes Batterieladegerät, das die Stromversorgung über einen breiten Bereich von Eingangs- und Ausgangsspannungen steuert und gleichzeitig eine optimale Batterieleistung gewährleistet.

Abbildung 2: Das Buck-Boost-Akkuladegerät RAA489118 sorgt für einen nahtlosen Übergang zwischen verschiedenen Eingängen. (Bildquelle: Renesas Electronics Corporation)

Sie ist in der Lage, die Spannung je nach Bedarf zu erhöhen oder zu verringern und unterstützt so Anwendungen, die über mehrere Stromquellen aufgeladen werden müssen, wie z. B. USB-Typ-C-Adapter, Solarpanels oder direkte Batterieanschlüsse. Unabhängig davon, ob die Eingangsspannung höher oder niedriger als die erforderliche Ladestufe der Batterie ist, passt sich das RAA489118 entsprechend an und gewährleistet einen stabilen und effizienten Ladevorgang. Das Ladegerät macht mehrere diskrete Energiemanagement-Komponenten überflüssig, was die Komplexität der Leiterplatte und die Gesamtentwicklungskosten reduziert.

Fazit

USB Typ-C PD ermöglicht es Produktdesignern, intelligentere, schneller aufladbare und effizientere Geräte zu entwickeln, sofern sie die mit dieser Technologie verbundenen Herausforderungen meistern können. Der USB-Typ-C-Port-Controller RAA489400 und das Buck-Boost-Ladegerät RAA489118 von Renesas bieten eine umfassende Energiemanagementlösung, die die USB-C-Stromversorgung und das Laden von Akkus für Hochleistungsanwendungen vereinfacht.