Akkus laden Komfortabel laden via USB

Der USB-Standard hat sich weltweit als wichtigste Datenübertragungstechnik im Kurzdistanz-Bereich etabliert. Auch zum Aufladen von Geräteakkus eignet sich ein USB-Anschluss, wie ja bekannt. Doch gemäß der neuen Vorschriftenlage und dank höherer Ladeströme wird das Akku-Aufladen via USB künftig noch sinnvoller. Und mit neuen Chips ist das auch kein technisches Problem.

Die Gesetzgebung in Europa und China hat es nun zur Pflicht gemacht, dass alle neuen Smartphones mit einer USB-Ladeeinheit ausgestattet sein müssen. Dies dürfte für alle Anwender von besonderem Interesse sein, da man beim Laden via USB keine speziellen Ladekabel und Netzteile mehr verwenden muss, die - zu allem Überdruss - zum Aufladen anderer tragbarer Geräte meist überhaupt nicht geeignet sind. Und schließlich hat der USB als Standard in vielerlei Hinsicht eine Vorreiterrolle, die sich auf der Basis von ca. 10 Milliarden derzeit betriebener USB-Ports sicher noch weiter ausbauen ließe, wenn USB auch erste Wahl bei der Stromversorgung von Geräten würde.

Was USB alles kann

Das USB-Interface bietet die Möglichkeit, über seine einheitliche Schnittstelle auch die Akkusätze von Mobilgeräten aufzuladen. Dafür müssen aber bestimmte Leistungs-Aspekte berücksichtigt werden. Bisher war der von USB gebotene Ladestrom relativ niedrig (USB 2.0: nur 500 mA). Die Zeitdauer, bis ein Ladevorgang damit abgeschlossen war, hat diese Funktion daher eher eingeschränkt, denn im Laufe der Jahre haben sich Verbraucher an kurze Ladezeiten gewöhnt. Und die Tatsache, mit USB wieder längere Ladezeiten in Kauf nehmen zu müssen, könnte der Weiterentwicklung des USB-basierten Geräte-Aufladens sicher entgegenwirken.

Doch dies wird sich jetzt alles ändern. Denn die Version 1.2 der USB-Ladespezifikation bietet der Branche eine Grundlage, wie sich das Laden von Geräten endlich standardisieren lässt. Die Aufnahme neuer Stromversorgungsmodi ermöglicht dann schließlich ein optimales Batterieladen für tragbare Geräte. Der in dieser überarbeiteten Spezifikation dafür ausgelegte Ladeanschluss (DCP - Dedicated Charging Port) bietet immerhin die Fähigkeit, 10 W an Leistung bereitzustellen, indem Ströme bis zu 1,8 A geliefert werden. Dies ist deutlich mehr als die erwähnten 500 mA, so dass sich wesentlich kürzere Ladezeiten erzielen lassen.

Grundlagen des DCP

USB-Schnittstellen bestehen aus vier abgeschirmten Leitungen, von denen zwei für die Datenübertragung verantwortlich sind (D-, D+) und zwei für die Stromversorgung (Masse, UBUS). Was einen DCP von einem normalen Standard-Downstream-Port (SDP) unterscheidet, ist, dass beide Datenübertragungsleitungen (D+ und D-) kurzgeschlossen sind, um die Datenübertragung zu verhindern. Denn durch den Kurzschluss dieser beiden Leitungen kann der DCP einem tragbaren Gerät mitteilen, dass der Anschluss, an dem sich das Gerät befindet, rein zum Laden vorgesehen ist und keine Host-Funktion bietet. Durch die Möglichkeit, elektrisch auf diese Weise einen Unterschied zwischen DCP und SDP zu machen, kann das angeschlossene Gerät dann auch voll von dem höheren Ladestrom des DCP profitieren.

Identifizieren eines DCP

Bild 1 zeigt eine Ladeschaltung, die konform zur USB-Ladespezifikation 1.2 ist. Eine große Anzahl diskreter Bauteile ist dabei notwendig. Darüber hinaus bildet ein Mikrocontroller (MCU) die Basis des Systems und führt die DCP-Identifizierung mit einer Rechenleistung aus, die der Hauptanwendung fehlt und die die Leistungsfähigkeit daher einschränkt. Abgesehen davon, dass dies ineffizient ist, verlangt dieser Ansatz auch ein langwieriges Programmieren und Implementieren des Schaltkreisdesigns.

Mit der kürzlich erfolgten Einführung seiner USB-Controller-ICs der X-CHIP-Serie  hilft FTDI den OEM-Anwendern im Bereich tragbarer Elektronikgeräte, die USB-Ladefunktion in ihre Geräte zu implementieren. Der Baustein erkennt automatisch, ob er an einen DCP oder SDP angeschlossen ist - und das ohne den zusätzlichen Software- und Hardware-Overhead, wie er im Baustein in Bild 1 dargestellt ist. Wird ein DCP erkannt, gibt der Chip ein Signal auf einem seiner CBUS-Anschlüsse aus, um dies dem tragbaren Gerät anzuzeigen.

Bild 2 zeigt eine Akku-Ladeschaltung mit dem X-CHIP. Diese Schaltung lädt eine Batterie beim Anschließen an einen herkömmlichen USB-Host-Port oder an einen DCP. Bei der Entwicklung von Peripherie, die über USB aufgeladen werden kann, muss die zur Verfügung stehende Strommenge berücksichtigt werden.

Dies hängt davon ab, ob die Peripherie gerade an einen SDP oder DCP angeschlossen ist und welcher Enumerationszustand (beim Anschluss an einen SDP) vorliegt. Der Ladestrom für die Batterie wird durch den Widerstand definiert, der an den PROG-Pin des Batterielade-Controllers LTC4053 von Linear Technology angeschlossen ist. Die CBUS-Anschlüsse lauten:

  • BCD# - ein Open-Drain-/Active-Low-Ausgangssignal zur Anzeige, dass der X-CHIP an einen DCP angeschlossen ist.
  • PWREN# - ein Open-Drain-/Active-Low-Ausgangssignal zur Anzeige, dass der X-CHIP durch den USB-Host-Controller enumeriert wurde.
  • SLEEP# - ein Push-Pull-/Active-Low-Ausgangssignal zur Anzeige, wann der X-CHIP in den USB-Suspend-Modus versetzt wird. Damit lässt sich der LTC4053 abschalten, wenn das Gerät über einen USB-Host versorgt wird und der Host den X-CHIP in den Suspend-Modus versetzt hat.

Die PWREN#- und SLEEP#-Ausgänge zeigen den Enumerationsstatus an und ermöglichen der Ladeschaltung, den Ladestrom je nach Verfügbarkeit zu regeln. Damit lässt sich die Ladezeit beim Anschluss an Hosts, die höhere Ströme bereitstellen können, wesentlich verringern.

In Bild 2 regulieren die Widerstände R12, R13 und R14 den Widerstand des LTC4053-PROG-Pins. BCD# konfiguriert das Widerstandsnetzwerk am PROG-Pin, um den Ladestrom einzustellen. Mit den dargestellten Werten ergeben sich die in der Tabelle zusammengefassten Ladeströme:

USB-Verbindung
BCD#
PWREN#SLEEP#Max. zulässiger LadestromDurchschnittlicher Ladestrom (ca.)
dedizierter LadeanschlussDrive 0Hi-ZDrive 1
1,8 A1 A
USB-Host (X-CHIP enumeriert)Hi-ZDrive 0Drive 1
500 mA440 mA
USB-Host (X-CHIP noch nicht enumeriert)Hi-ZHi-ZDrive 1
100 mA91 mA
USB-Host (X-CHIP im Suspend-Modus)Hi-ZHi-ZDrive 02,5 mAkein Laden
Die verschiedenen Ladeströme in Abhängigkeit von der Art des verfügbaren USB-Ladeanschlusses.

Der maximal zulässige Strom gilt für die Gesamtperipherie, zu dem auch der Strombedarf des X-CHIP (nur 8 mA) und der anderen Schaltkreise auf dem Board zählt. Der Ladestrom wurde in diesem Beispiel etwas geringer als der maximal zulässige Strom angesetzt.

 Die Ausgänge BCD#, PWREN# und SLEEP# sind so ausgelegt, dass sie eventuell erforderliche externe Schaltkreise, die zum Aufladen von Akkus erforderlich sind, auf ein Minimum reduzieren. Normalerweise sind externe MOSFETs nötig, um den Strom-/Ladebereich festzulegen. Wenn der X-CHIP sein BCD#-Signal sendet, um das Erkennen eines DCP anzuzeigen, schließt dieser Open-Drain-Ausgang R14 gegen Masse, und der PROG-Pin des LTC4053 weist dann einen Widerstand von 16,5 kΩ auf, der parallel zu den 1,5 kΩ gegen Masse ist.

Dies ergibt einen Ladestrom von 1 A. Ist der X-CHIP an einen Standard-USB-Host-Controller angeschlossen, wird dieser Pin nicht angesteuert und der Baustein arbeitet nur als herkömmlicher USB-Schnittstellen-IC. Da das BCD#-Signal ein Open-Drain-Signal ohne internen Pull-up ist, kann es den Widerstand R14 gegen Masse ziehen, ohne dazu einen externen MOSFET einsetzen zu müssen.

Die CBUS-Pins werden während der Einschaltphase zu einem Standardeingang mit schwachem Pull-up, bis das MTP-ROM gelesen ist. Danach nehmen die CBUS-Pins ihre gewählte Funktion ein.