Utilizzo di caricatori buck/boost integrati per una ricarica USB più veloce e soluzioni di ricarica universali più piccole

L'uso di caricabatterie universali per batterie agli ioni di litio (Li-ion) e al litio polimero (Li-poly) con USB 3.0 Power Delivery (PD) per la ricarica on-the-go (OTG) sta aumentando in molte applicazioni come droni, smartphone, tablet, aspirapolvere senza fili, dispositivi medici portatili, altoparlanti wireless e chioschi elettronici. In queste applicazioni, i progettisti sono costantemente spinti a ridurre il tempo di carica e il fattore di forma, ad aumentare la densità di potenza e ad abbassare i costi.

I caricabatterie buck/boost combinati con USB PD possono consentire lo sviluppo di soluzioni di ricarica di ingresso veloci, efficienti e universali. Ma questi non sono dispositivi semplici e la loro progettazione per supportare la specifica USB OTG può richiedere parecchio tempo. Questo aumenta i costi e può influenzare i tempi di progettazione. Il processo di progettazione può essere ulteriormente complicato dalla necessità di aderire ai criteri di temporizzazione e controllo di USB Fast Role Swap (FRS) per assicurare che un dispositivo che sta fornendo energia possa diventare rapidamente un consumatore di energia per garantire una connessione dati ininterrotta.

Per le applicazioni di ricarica universale USB PD, i progettisti possono affrontare molti di questi problemi rivolgendosi a caricatori integrati che semplificano la progettazione e supportano l'implementazione di soluzioni di ricarica buck/boost complete e compatte che offrono alta potenza e ricarica veloce con un basso numero di componenti e alta densità di potenza.

Questo articolo considera brevemente la necessità di una ricarica universale basata su USB 3.0 e USB Type-C® e le complessità dell'implementazione di soluzioni USB OTG e FRS con ingresso universale buck/boost. Passerà quindi in rassegna i vantaggi dell'utilizzo di un dispositivo integrato, per poi introdurre una soluzione di ricarica buck/boost integrata di Texas Instruments con doppio selettore di ingressi e supporto USB PD 3.0 OTG e FRS. Verrà anche descritto un modulo di valutazione di supporto per aiutare i progettisti a sviluppare il loro prossimo caricatore universale USB PD con capacità OTG e FRS.

Complessità di ricarica universale e OTG e FRS

Con un connettore standardizzato, USB Type-C ha contribuito a consentire lo sviluppo di adattatori universali di alimentazione in c.a. e una riduzione dei rifiuti elettronici. Ma i connettori standardizzati sono solo un fattore. I dispositivi portatili hanno un numero variabile di celle nelle batterie, e c'è un'ampia variabilità nella potenza dell'adattatore e nelle tensioni da 5 a 20 V. La combinazione di diverse capacità dell'adattatore e di diverse tensioni della batteria significa che l'architettura di una soluzione di ricarica USB PD è complessa e impegnativa (Figura 1).

Figura 1: La progettazione interna di una soluzione di ricarica USB PD può essere complessa in quanto deve adattarsi a configurazioni di celle di batteria e tensioni dell'adattatore molto diverse. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

In primo luogo, il controller USB PD (U4) deve identificare l'adattatore, tra cui: specifica di carica batterie USB revisione 1.2 (USB BC1.2), porta downstream standard (SDP), porta downstream di carica (CDP), porta di carica dedicata (DCP), porta di carica dedicata ad alta tensione (HVDCP) e anche adattatori non standard. In seguito alla comunicazione tra il controller USB PD e l'adattatore, la gestione del percorso di alimentazione di ingresso e l'unità di rilevamento della corrente (U1) accendono i MOSFET di potenza in opposizione di fase per collegare la tensione di ingresso da VBUS all'ingresso del caricatore buck/boost (U2). L'unità di gestione del percorso di alimentazione di ingresso rileva anche la tensione e la corrente di ingresso attraverso il resistore di rilevamento per supportare la protezione da sovratensione e sovracorrente.

Altri quattro MOSFET si trovano nell'unità caricatore buck/boost (U2) per aumentare o diminuire la tensione di ingresso in base alla tensione della batteria. Un altro MOSFET di potenza e un resistore di rilevamento della corrente sull'uscita del caricatore buck/boost sono necessari per supportare la gestione del percorso di alimentazione del caricatore USB PD a tensione stretta in corrente continua (NVDC) e il rilevamento della corrente di carica.

La gestione del percorso di alimentazione NVDC è un protocollo di controllo specifico che regola il sistema a una tensione leggermente superiore a quella della batteria e non permette alla tensione di scendere sotto quella minima del sistema. La tensione minima del sistema è il livello che permette al sistema di funzionare anche quando la batteria è rimossa o completamente scarica. Inoltre, se le esigenze di potenza del sistema superano la capacità dell'adattatore di ingresso, una modalità della batteria supporta la richiesta di potenza supplementare del sistema e previene il sovraccarico dell'adattatore.

Alimentazione OTG e FRS

Per supportare l'alimentazione OTG, il convertitore c.c./c.c. DC (U3) in Figura 1 viene utilizzato per scaricare la batteria e fornire una tensione regolata su VBUS per alimentare i dispositivi esterni quando viene rimosso l'adattatore, come richiesto dalla specifica USB OTG. Se è richiesto anche FRS, il convertitore c.c./c.c. deve essere abilitato e mantenuto in modalità standby continuamente, anche quando è collegato un adattatore al VBUS attraverso la porta USB Type-C. Se l'adattatore è scollegato, i MOSFET di potenza in opposizione di fase collegati al convertitore c.c./c.c. si accendono e collegano l'uscita del convertitore per sostenere VBUS e abilitare FRS. Uno svantaggio di questo approccio è che mantenere il convertitore c.c./c.c. in standby aumenta le perdite di corrente di quiescenza per il sistema.

Caricatore buck/boost da 1 a 4 celle integrato con USB OTG e FRS

Come mostrato, progettare una soluzione di ricarica universale USB PD per supportare OTG e FRS può essere complicato. Per le applicazioni che utilizzano da una a quattro celle Li-ion o Li-poly, Texas Instruments offre il caricatore buck/boost completamente integrato BQ25792RQMR che supporta l'intero intervallo di tensioni OTG di ingresso e uscita per USB Type-C e USB PD, semplificando sostanzialmente la progettazione di una soluzione completa di ricarica USB PD, compreso il supporto per FRS (Figura 2). Un controller mux opzionale di alimentazione a doppio ingresso può fornire supporto per due diverse sorgenti di alimentazione di ingresso; un connettore USB Type-C a VIN1 e una sorgente di alimentazione ausiliaria a VIN2.

Figura 2: Il caricatore buck/boost completamente integrato BQ25792 semplifica la progettazione di una soluzione di ricarica USB PD completa. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

BQ25792 supporta vari ingressi, tra cui:

• Un intervallo della tensione di ingresso da 3,6 a 24 V.
• Rileva USB BC1.2, SDP, CDP, DCP, HVDCP e adattatori non standard.
• Rileva il punto di massima potenza di sorgenti di ingresso sconosciute.

BQ25792 include il rilevamento integrato della corrente di ingresso che consente al caricabatterie di regolare la corrente di ingresso e di fornire una protezione da sovracorrente di ingresso per evitare il sovraccarico dell'adattatore. Inoltre, i circuiti di controllo e di pilotaggio per i MOSFET di potenza esterni in opposizione di fase sono integrati come parte del circuito di protezione da sovratensione e sovracorrente di ingresso, sostituendo le funzioni della gestione del percorso di alimentazione di ingresso e dell'unità di rilevamento della corrente (U1) nella Figura 1.

L'integrazione dei quattro MOSFET che si trovano nell'unità caricatore buck/boost (U2) nella Figura 1 permette al caricatore BQ25792 di supportare la ricarica OTG. Il caricatore funziona in modalità di ricarica standard quando è presente l'adattatore. Se l'adattatore è scollegato, il flusso di alimentazione è invertito, andando dalla batteria a VBUS. BQ25792 è compatibile con la specifica completa per un intervallo di tensione USB PD 3.0, da 2,8 a 22 V, programmabile in incrementi di 10 mV.

Nuovo metodo per sostenere FRS

Il supporto per FRS sulla porta USB Type-C è implementato attraverso una funzione chiamata modalità di riserva, che elimina la necessità di un convertitore c.c./c.c. (U3) nella Figura 1. BQ25792 supporta una commutazione ultraveloce per la sezione del caricatore buck/boost dalla modalità di carica diretta alla modalità OTG inversa, senza che la tensione del bus superi le specifiche.

Durante il normale funzionamento, l'adattatore si collega a BQ25792 attraverso la porta VIN1, caricando la batteria mentre fornisce energia al sistema e a qualsiasi accessorio alimentato attraverso l'uscita PMID. Se l'adattatore viene scollegato, la batteria può comunque fornire energia al sistema, ma gli accessori collegati al pin PMID potrebbero perdere potenza.

Utilizzando la modalità di riserva, il caricabatterie controlla costantemente la tensione VBUS. Quando VBUS scende sotto un livello di soglia (che indica la perdita dell'ingresso dall'adattatore), il caricatore passa rapidamente dalla modalità di carica alla modalità OTG, scaricando la batteria, regolando la tensione VBUS e implementando FRS, senza la necessità di un ulteriore convertitore c.c./c.c. L'implementazione di FRS con la modalità di alimentazione di riserva in BQ25792 assicura che qualsiasi accessorio collegato al pin PMID non perda potenza quando la tensione VBUS scende (Figura 3).

Figura 3: L'implementazione di FRS utilizzando la modalità di alimentazione di riserva in BQ25792 assicura che qualsiasi accessorio collegato al pin PMID non perda potenza quando la tensione VBUS scende. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

BQ25792 offre una scelta di una frequenza di commutazione di 1,5 MHz o 750 kHz per consentire ai progettisti di equilibrare la dimensione e l'efficienza della soluzione a seconda delle esigenze dell'applicazione. L'utilizzo di una frequenza di commutazione di 1,5 MHz permette l'uso di valori bassi (1 µH) per induttori e condensatori. Utilizzando una frequenza di commutazione di 750 kHz si ottiene una maggiore efficienza, ma la soluzione risultante ha dimensioni maggiori a causa dell'induttore e dei condensatori più grandi (2,2 µH).

Per estendere la durata della batteria e riduce al minimo la perdita di energia, il sistema rimane spento durante i periodi di inattività, alla spedizione o quando è riposto. In "modalità di spedizione" I²C è abilitato, ma il clock di sistema del caricatore rallenta per ridurre al minimo la corrente di quiescenza del dispositivo. Nel funzionamento normale solo a batteria, la corrente di quiescenza è di 21 µA. In "modalità di spedizione" la corrente di quiescenza scende a 600 nA.

Per aiutare i progettisti a usare BQ25792, Texas Instruments offre la scheda di valutazione (EVB) BQ25792EVM per implementare un caricatore buck/boost sincrono, che fornisce fino a 5 A di corrente di carica con 10 mA di risoluzione per 1 a 4 celle (Figura 4). Questo EVB include un'interfaccia per passare dalla modalità di carica a quella USB OTG. Inoltre, gli utenti possono monitorare lo stato del caricabatterie, le tensioni e le correnti ed eventuali guasti con un convertitore analogico/digitale (ADC) integrato.

Figura 4: La scheda di valutazione BQ25792EVM può essere utilizzata per implementare un caricatore buck/boost sincrono che eroga fino a 5 A di corrente di carica. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Le caratteristiche aggiuntive di questo EVB includono:

• Rilevamento automatico USB, ingresso USB PD e wireless, supporto per ingressi da 3,6 a 24 V
• Doppio selettore di sorgenti di ingresso per pilotare NFET bidirezionali di blocco
• Alimentazione USB OTG con uscita da 2,8 a 22 V con risoluzione di 10 mV
• Meno di 1 µA di corrente di quiescenza in modalità di spegnimento/spedizione
• Numerosi punti di prova, ponticelli e resistori di rilevamento per supportare la misurazione di tensione e corrente

Conclusione

Come dimostrato, la progettazione di una soluzione di ricarica universale USB PD può essere complicata e la progettazione di caricatori per supportare la specifica USB OTG può richiedere molto tempo. Il processo di progettazione può essere ulteriormente complicato dalla necessità di aderire ai criteri di temporizzazione e controllo di USB Fast Role Swap (FRS). Il risultato può essere un costo aggiuntivo e ritardi nei cicli di sviluppo.

Per evitare tutto ciò, sono disponibili caricatori buck/boost integrati che supportano le esigenze dei progettisti di dispositivi portatili per USB PD, ricarica OTG, aderenza ai criteri di temporizzazione e controllo USB FRS e tempi di carica ridotti per le batterie al litio, fattori di forma più piccoli, densità di potenza aumentata, costi inferiori e time-to-market più rapidi.

Letture consigliate

1. USB Type-C™, USB PD e USB 3.1 Gen 2: Nuovi standard per velocità e potenza