Stromversorgung über USB Aufrüsten von USB-Ladegeräten von Typ-A auf Typ-C

USB-Ladegeräte sind weit verbreitet. Beim Umstieg auf Typ-C muss aber einiges beachtet werden.
USB-Ladegeräte sind weit verbreitet. Beim Umstieg auf Typ-C muss aber einiges beachtet werden.

USB-Ladegeräte sind weit verbreitet. Mit der Einführung von Typ-C-Ladegeräten eröffnen sich dafür neue Möglichkeiten, dadurch müssen aber auch neue Anforderungen erfüllt werden. Was muss also beim Umstieg auf USB-Typ C beachtet werden?

USB-Ladegeräte gewinnen immer mehr an Verbreitung und sind auf dem besten Weg, universell zu werden. Man findet sie inzwischen nicht mehr nur in Computern, sondern auch in Wandsteckdosen, Steckerladegeräten, Auto-Armaturentafeln, Flugzeugsitzen usw.

Traditionelle USB Typ-A-Ladegeräte erzeugen nur eine einzige Spannung, wofür sich ein simples Design anbietet. Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild. Der von RFBL und RFBU gebildete Widerstandsteiler ermöglicht die Regelung der an VBUS liegenden Ausgangsspannung. In dieser Topologie muss der Flyback-Regler aus Sicherheitsgründen für die Begrenzung des Ausgangsstroms sorgen.

USB Power Delivery (PD) an USB Typ-C-Steckern ermöglicht das Laden mit höherer Leistung, was dafür sorgen wird, dass die USB-Ladeinfrastruktur weiter an Umfang gewinnt. Allerdings stellen USB PD und USB Typ-C neue Anforderungen, die die einfache Schaltung in Bild 1 nicht erfüllen kann.

Bild 2 zeigt das vereinfachte Schaltbild eines USB PD-Ladegeräts. Man erkennt sofort die beiden MOSFETs im Leistungspfad und die große Bulk-Kapazität am Ausgang, die es in Bild 1 nicht gab. Zu beachten ist außerdem, dass diese Schaltung mehrere Spannungen bereitstellen kann. Der PD-Controller handelt die Spannungen über den Konfigurationskanal (Configuration Channel – CC) aus und zieht anschließend CTL1 und/oder CTL2 auf Low-Potenzial, um den Widerstandsteiler für eine Spannung von mehr als 5 V einzustellen. Zum Auswählen der gewünschten Ausgangsspannung werden die CTL-Pins vom PD-Controller entweder auf Massepotenzial gezogen oder hochohmig geschaltet.

USB Typ-C unterscheidet sich in einigen Anforderungen von Typ-A. Tabelle 1 fasst die neuen, hier beschriebenen Anforderungen und ihre Konsequenzen zusammen.

Die erste Anforderung lautet, dass USB PD-fähige Ladegeräte »Cold Socket«-Eigenschaften haben müssen. Das heißt, das VBUS 0V betragen muss, wenn der Stecker nicht gesteckt ist. Außerdem muss die Quelle in der Lage sein, VBUS beim Auftreten von Fehlern innerhalb von nahezu einer Sekunde auf 0 V zu treiben, wenn sie einen USB PD Hard Reset ausführt. Damit VBUS auf 0 V getrieben werden kann, muss der Flyback-Ausgang vom VBUS-Pol des Steckverbinders getrennt werden können, während gleichzeitig die Versorgung des PD-Controllers aufrechterhalten bleibt. In der Schaltung von Bild 2 dient FET Q1 dazu, VBUS auf 0 V legen zu können, während die Versorgungsspannung des PD-Controllers (VPWR) erhalten bleibt, sodass er das Anschließen einer Senke an CC1 und CC2 erkennen kann.

In der USB-Spezifikation bedeutet »0 V« in Wirklichkeit »weniger als 0,8 V« (in der Spezifikation wird dies als »vSafe0V« bezeichnet). Hierdurch ist gewährleistet, dass alle angeschlossenen USB-Geräte oder Senken erkennen, dass VBUS nicht mehr anliegt, und dementsprechend einen Reset ausführen. Obwohl die USB-Spezifikation von selbstgespeisten USB-Peripheriegeräten verlangt, dass sie alles andere als kurzzeitige Ausschläge unter 4,0 V als Abklemmen (Detach) ansehen (USB 3.1, Abschnitt 7.5.1.2.4), wird die Detach-Spannung für andere Peripherie nicht spezifiziert. Weil es aber üblich ist, dass USB-Geräte sogar mit noch niedrigeren Spannungen arbeiten, soll die 0,8-V-Definition gewährleisten, dass alle Geräte das Abklemmen registrieren.