Umschaltbares 20-W-Netzteil USB-C-Netzteil mit Power-Delivery-Protokoll

Ein Stecker für alle: USB Typ C
Ein Stecker für alle: USB Typ C

Stromversorgungen mit variabler Ausgangsspannung sind eine Herausforderung für Entwickler,wenn die Wirkungsgradanforderungen aus Europa und USA erfüllt werden müssen. Schaltregler-ICs mit integrierter Isolationsbarriere und Signalübertragung für die Regelung vereinfachen die Schaltungsentwicklung.

Der ursprünglich Mitte der 1990er Jahre entwickelte USB-Standard wurde kürzlich wesentlich erweitert. Insbesondere sind ein neuer Steckverbinder (Type-C) und das neue USB-PD-Protokoll (Power Delivery) hinzugekommen. Der neue USB-PD-Standard erlaubt eine variable Ausgangsspannung von 5 V bis 20 V. Geräte, die das neue PD-Protokoll nutzen, können über eine dedizierte CC-Leitung (Configuration Channel) mit der Stromversorgung kommunizieren. Außerdem kann der neue, richtungsunabhängige Type-C-Steckverbinder Ströme bis zu 5 A übertragen. Ziel des USB Implementers Forum (USB IF) – des für die Entwicklung des neuen Standards verantwortlichen Industrieverbands – ist ein Standard, der den Benutzern von USB-Geräten zahlreiche Vorteile bringt: USB-PD ermöglicht es, Daten, Betriebsspannungen und Audio/Video-Daten über ein und dasselbe Kabel zu übertragen, das auf beiden Seiten identische Steckverbinder hat, die überdies dünner und robuster als die bisherigen sind. Der neue USB-C-Standard erweitert die Anwendungsmöglichkeiten für die USB-Schnittstelle auf noch mehr Gerätetypen. Es wird erwartet, dass die Anzahl der Geräte mit USB-PD/Type-C-Schnittstelle in den kommenden Jahren stark zunehmen und bis 2019 die 2-Milliarden-Grenze erreichen wird (Bild 1).

Herausforderung: PD-Protokoll plus hoher Wirkungsgrad

Entwickler wollen einerseits die Vorteile der neuen USB-PD/Type-C-Kabel nutzen, müssen andererseits aber auch verschärfte Wirkungsgradstandards beachten, die kürz¬lich in Kraft getreten sind. Für externe Netzgeräte zählen insbesondere die gesetzlichen Vorgaben des US-amerikanischen Energieministeriums (DOE – Department of Energy) [1], Level 6, und in Europa die Stufe 2 der freiwilligen Selbstverpflichtung der Industrie (CoC – Code of Conduct) [2].

Smartphones und Tablet-PCs müssen jetzt nicht nur strengere Wirkungsgradanforderungen erfüllen, sondern auch mehr Leistung an externe Geräte wie z.B. größere Bildschirme liefern können. So hat beispielsweise die Akkukapazität von Smart¬phones von 2014 bis heute um mehr als 300 % zugenommen, von ursprünglich etwa 700 bis 900 mAh im Jahr 2014 auf nunmehr >3000 mAh. Phablets und Tablets haben heute Akkus mit 6000 bis 10.000 mAh. Außerdem fordern die Anwender immer kürzere Ladezeiten, weil sie zu jedem Zeitpunkt in der Lage sein möchten, ihre Geräte mobil zu nutzen. Dadurch sind die Anforderungen an die Ausgangsleistung von Ladegeräten um bis zu 400 % gestiegen, von 5 W (5 V, 1 A) bei herkömmlichen USB-Ladegeräten bis auf 15 bis 20 W (5 V, 3 bis 4 A) bei Schnellladegeräten. Das bedeutet, dass leistungsschwache 5-V-Ladegeräte (0,7 bis 1 A) den heutigen Anforderungen nicht mehr gewachsen sind. Aufgrund seiner hohen Strombelastbarkeit (3 A oder 5 A) und der variablen Spannung eignet sich USB-PD/Type-C perfekt für diese Netzladegeräte.

Power Integrations Inc. und Cypress Semiconductor haben gemeinsam ein Referenzdesign für ein derartiges USB-C-Netzgerät entwickelt. Neben neuer Schaltungstechnik enthält es einen programmierbaren Schnittstellen-Controller, der sich an künftige Versionen der zwar bereits verabschiedeten, aber noch nicht ausgereiften Standards (USB-PD (Rel. 2.0, V1.2) und Type-C (Rel. 1.2) anpassen lässt.

Schwachstelle: Gleichrichter

Bei einem typischen Sperrwandler wird die Ausgangsspannung sekundärseitig mit Hilfe von Schottky-Dioden gleichgerichtet. Schottky-Dioden haben eine typische Schwellenspannung von 0,4 bis 0,5 V. Das bedeutet bei 5 V Ausgangsspannung einen Leistungsverlust von bis zu 10 %. Der Wirkungsgrad des Netzteiles lässt sich verbessern, indem die Schottky-Dioden durch einen Synchrongleichrichter mit aktiv angesteuerten MOSFETs ersetzt werden. Aktuelle MOSFETs haben einen sehr geringen Ein-Widerstand (RDS(ein)) von weniger als 10 mΩ. Entsprechend klein ist ihre Durchlassspannung, nämlich etwa 20 bis 40 mV bei 2 bis 4 A Ausgangsstrom. Dadurch sinkt die Verlustleistung drastisch, nämlich von 10 % (Schottky-Diode) auf weniger als 1 % (MOSFET) – eine Verbesserung um den Faktor 10. Die herkömmliche Technik für Synchrongleichrichter ist allerdings sehr schwierig zu implementieren, weil das MOSFET-Abschaltsignal sehr zeitkritisch ist. Voraussetzung ist, dass exakt bekannt ist, wann der primärseitige Schalttransistor eingeschaltet ist und wann er ausgeschaltet ist. Zwar lässt sich der Schaltzustand des MOSFET aus der Spannung über der zweiten Wicklung erschließen, doch ist dieses Verfahren zu ungenau. Bei einer konservativen Vorhersage des Schaltzustands sind Einbußen beim Wirkungsgrad in Kauf zu nehmen. Bei einer zu progressiven Vorhersage wird ein Totalschaden der Stromversorgung riskiert. Dieses Dilemma ist schon im Normalbetrieb eine Herausforderung und verschärft sich noch unter Ausnahmebedingungen wie Ausgangskurzschluss, Hochfahren, Eingangsspannungseinbrüchen oder abrupten Laständerungen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt von Sperrwandlern ist das Transientenverhalten. In der Regel arbeiten solche Stromversorgungen mit sekundärseitiger Regelung: Der Ist-Wert der Ausgangsspannung wird auf der Sekundärseite erfasst, und diese Information wird über einen Optokoppler zur Primärseite übertragen. Solche Regelkreise mit einem Optokoppler im Signalweg haben jedoch nur eine begrenzte Bandbreite; außerdem erfordern sie zusätzliche Bauteile und zudem altert der Optokoppler auch im Laufe der Zeit.