USB-C PD 3.1 EPR
Eine vollständige Wall-to-Battery-Systemlösung
Das Protokoll USB-C Power Delivery (PD) 3.1 Extended Power Range (EPR) ist ein bedeutender Fortschritt in der modernen Batterieladetechnik. Da Consumer-Geräte immer leistungsfähiger werden, ist der Bedarf an schnellem Laden von Akkus über kompakte und universelle Anschlüsse stark gestiegen.
USB-C PD 3.1 EPR erfüllt diese Anforderung, indem es eine Leistungsabgabe von bis zu 240 W ermöglicht. Dies ist eine sensationelle Verbesserung gegenüber dem bisherigen Leistungslimit von 100 W früherer USB-C-PD-Standards. Dank dieses Fortschritts kann eine noch größere Anzahl von Geräten über USB-C PD mit Strom versorgt werden. Dazu gehören E-Bikes, E-Scooter, aber auch Laptops, Elektrowerkzeuge, Staubsauger, energieintensive Peripheriegeräte und sogar Kleingeräte. Darüber hinaus wird die Benutzererfahrung durch einen standardisierten Stecker und kürzere Ladezeiten verbessert.
Dieser Artikel zeigt die vollständige Implementierung einer Wall-to-Battery-Lösung basierend auf dem USB-C PD 3.1 EPR-Standard auf. In den folgenden Abschnitten werden die einzelnen grundlegenden Systemblöcke vom AC/DC-Adapter bis zum USB-C-PD-Ladesystem vorgestellt und abschließend das Batteriemanagementsystem (BMS) beschrieben.
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USB-C PD 3.1 EPR: Lösungsüberblick
Die USB-C-PD-Technologie spielt eine Schlüsselrolle, um die Stromversorgung für eine Vielzahl von Geräten zu vereinfachen. Gleichzeitig verkürzt sie die Ladezeiten erheblich, verbessert die Energieeffizienz und erhöht den Benutzerkomfort. Ein typisches Komplettsystem auf der Basis von USB-C-PD 3.1 EPR besteht aus folgenden Komponenten:
- Hocheffizienter AC/DC-USB-C-Adapter mit 240 W: Dieser Adapter nutzt Wide-Bandgap-Halbleiter wie Galliumnitrid (GaN), um einen bisher unerreichten Wirkungsgrad zu erzielen. Gleichzeitig wird die Schaltfrequenz erhöht, wodurch das Netzteil kleiner wird. Auf eine Interleaved Boost PFC-Stufe (Power Factor Correction) folgt ein isolierter DC/DC-Wandler. Flyback und Asymmetric Half-Bridge gehören sicherlich zu den gängigsten isolierten DC/DC-Topologien, die für einen Ausgangsleistungsbereich von 240 W geeignet sind.
- EPR-Ladelösung (Extended Power Range) mit bidirektionalem Laden bei 48 V: Das bidirektionale 48-V-Schaltladegerät ermöglicht sowohl den Sink- als auch den Source-USB-PD-Betrieb. Ein Controller-IC steuert vier externe MOSFETs in H-Brücken-Konfiguration, um die Leistungsstufe zu realisieren. Dieses Subsystem besteht typischerweise aus einem Typ-C-Port-Controller (TCPC), der den Bus-Switch und die CC-Pins steuert, sowie einem Typ-C-Port-Manager (TCPM), der einen oder mehrere Ports steuern kann. TCPC und TCPM sind häufig in einem Gehäuse integriert, um den Platzbedarf auf der Leiterplatte und die Kosten zu optimieren.
- Batteriemanagementsystem (BMS): Das Batteriemanagementsystem überwacht kontinuierlich den Ladezustand (State-of-Charge, SoC), den Batteriezustand (State-of-Health, SoH) sowie verschiedene andere Parameter wie Temperatur und Lade-/Entladestrom, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Es gleicht auch die Ladungsmenge über das gesamte Akkupack aus, um die Leistung und Lebensdauer der Batterie zu verbessern.
In den folgenden Kapiteln werden alle Teilkomponenten beschrieben, die die Wall-to-Battery-Lösung realisieren, d. h. der AC/DC-Adapter, die USB-C-PD-Ladelösung und das Batteriemanagementsystem.
AC/DC-Adapter basierend auf USB-C-PD mit 240 W
Das aktuelle Protokoll USB-C PD 3.1 EPR erfordert eine effiziente AC/DC-Wandlung und umfasst mehrere Schlüsselkomponenten. Eine PFC-Schaltung (Power Factor Correction) stellt sicher, dass die aus dem Netz aufgenommene Leistung den Vorschriften für Leistungsfaktor (Power Factor, PF) und Gesamtklirrfaktor (Total Harmonic Distortion, THD) entspricht. Sie reduziert die Blindleistung und verbessert damit den Gesamtwirkungsgrad. Ein sekundärseitiger isolierter Gleichstromregler wandelt den Hochspannungsausgang des PFC (normalerweise im Bereich von 360 V bis 400 V) effizient in eine Spannung von 48 V um. Dies ist die maximale Spannung, die gemäß USB-C PD 3.1 EPR erreicht werden kann.
Die in Abbildung 2 dargestellten AC/DC-Lösungen von Renesas ermöglichen eine schnelle Ladezeit und eine effiziente Wandlung durch einen fortschrittlichen Controller in Kombination mit GaN-HEMTs. Der R2A20132SP Interleaved PFC-Controller sorgt zusammen mit dem TP65H150G GaN-HEMT für eine hocheffiziente Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit geringen Störschwankungen. Der Flyback-Wandler iW9801 mit Nullspannungsschaltung (Zero-Voltage Switching, ZVS) in Kombination mit dem TP65H070G, einem GaN-HEMT mit 70 mΩ Einschaltwiderstand, ermöglicht die Bereitstellung der erforderlichen Leistung zur Versorgung des sekundärseitigen Controllers iW780 sowie einen DC-Ausgang von bis zu 48 V/5 A.
Der oben erwähnte sekundärseitige Controller iW780 implementiert das USB-C PD 3.1 EPR-Protokoll. Dadurch eignet sich der AC/DC-Wandler sowohl für Einzel- als auch für Mehrfachadapter, wie Abbildung 2 zeigt. Diese zertifizierten Lösungen lassen sich einfach in jedes Produktdesign integrieren. Sie bieten Herstellern zuverlässige und effiziente Ladelösungen, die den neuesten USB-C-Spezifikationen und den europäischen Standards für einheitliche Steckverbinder entsprechen.
Bidirektionale USB-C-PD-Ladelösung mit 48 V
Die Ladelösung basierend auf USB-C PD 3.1 Extended Power Range (EPR) ist für eine Leistung von bis zu 240 W in den Betriebsarten Sinking und Sourcing ausgelegt. Diese Lösung arbeitet mit einer Busspannung von bis zu 48 V und einem maximalen Strom von 5 A.
Um Wandlerverluste zu minimieren und thermische Probleme zu vermeiden, wird ein hocheffizienter bidirektionaler Buck-Boost-DC/DC-Wandler eingesetzt. Er besteht typischerweise aus einem Controller mit vier Regelkreisen (CC/CV-Eingangs- und Ausgangsschleifen), der vier diskrete 60/80-V-MOSFETs in H-Brückenkonfiguration ansteuert. Ein TCPC-Controller kommt zum Einsatz, um die Busschalter zu steuern, die CC-Signale zu lesen und Nachrichten zum TCPM-Mikrocontroller zu senden bzw. von diesem zu empfangen. Häufig sind Port-Controller und Portmanager auf demselben Chip integriert.
Abbildung 3 zeigt die auf USB-C PD 3.1 EPR basierende Lösung von Renesas. Das Produktportfolio des Unternehmens bietet einen hochmodernen Buck-Boost-Controller: Der RRB86848 unterstützt bidirektionalen Stromfluss und garantiert einen robusten Betrieb, der sowohl Eingangs- als auch Ausgangsspannungen von bis zu 54 V widersteht. Die neue Split-Gate-MOSFET-Technologie von Renesas ermöglicht einen Betrieb mit niedrigem RDS(on) und Schaltfähigkeiten für Hochleistungs- und Hochfrequenzanwendungen.
Ein einzelner USB-Typ-C-Port-Manager, der R9A02G0151, wird mit mehreren RAA489400 Typ-C-Port-Controllern kombiniert. So können alle USB-PD-Funktionen (wie z. B. Power Negotiation und Alternate Mode Support) für mehrere USB-Typ-C-Ports genutzt werden. Dies minimiert die Größe und die Kosten der Gesamtlösung, indem die Anzahl der Port-Manager im Design reduziert wird.
Batteriemanagementsystem
Das Batteriemanagementsystem (BMS) ist eine entscheidende Komponente in allen batteriebetriebenen Geräten und gewährleistet den sicheren und effizienten Betrieb des Akkupacks. Die drei Hauptfunktionen eines BMS sind Überwachung, Schutz und Ladungsausgleich. Das BMS überwacht kontinuierlich den Zustand der einzelnen Batteriezellen innerhalb des Akkupacks in Bezug auf Spannung, Temperatur und Ladezustand. Es verhindert auch Zustände wie Überladung/Entladung, Kurzschluss und übermäßige Wärmeentwicklung. Schließlich sorgt es für eine gleichmäßige Ladungsverteilung zwischen den Batteriezellen, um die Lebensdauer und Leistung der Batterie zu maximieren. Diese Funktionen können von diskreten Bauelementen oder von einem integrierten Batteriemanagementsystem (BMIC) übernommen werden. Bauelemente wie MOSFET-Transistoren steuern die Lade- und Entladevorgänge. Sie ermöglichen eine präzise Steuerung der Leistungsabgabe, was für den Schutz der Batteriezellen und einen konstanten Wirkungsgrad unerlässlich ist. Im nächsten Schritt werden die Messwerte für Spannung, Strom und Temperatur durch Analog-Digitalwandler erfasst und weiterverarbeitet. Schließlich ist eine stabile Stromversorgung des BMS und seiner Komponenten von entscheidender Bedeutung, um die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Überwachungs- und Steuerungsfunktionen aufrechtzuerhalten.
Der Renesas FGIC, RAJ240100, integriert alle oben genannten Funktionsblöcke und reduziert dadurch Größe und Kosten. Darüber hinaus enthält er eine MCU zur Verbrauchsmessung. Er unterstützt Batteriepacks mit 3 bis 10 Zellen (siehe Blockdiagramm, Abbildung 4).
Der RAJ240100 wird mit einer bereits in den integrierten Schaltkreis implementierten Firmware für die Verbrauchsanzeige geliefert. Die bereitgestellte Firmware ermöglicht es Entwicklern, die Zeit für Forschung und Entwicklung (F&E) sowie den Test- und Validierungsprozess zu verkürzen, was die Markteinführung des Endprodukts beschleunigt.
Fazit
Renesas ist der ideale Designpartner für Systeme und Anwendungen, die umfassendes Know-how in den Bereichen Power Management, Embedded Processing, Connectivity-Lösungen, analoge Schaltungen und Sensorintegration erfordern.
Das umfangreiche Leistungselektronikportfolio von Renesas umfasst DC/DC-Wandler, AC/DC-Wandler und Leistungshalbleiter wie Silizium-MOSFETs und GaN-HEMTs, die eine hohe Effizienz und Zuverlässigkeit gewährleisten und auf unterschiedliche Leistungsanforderungen zugeschnitten sind. Dies macht Renesas zum idealen Partner für die Entwicklung von AC/DC-Adaptern, USB-C-PD-Ladelösungen und Batteriemanagementsystemen für unzählige Anwendungen. Darüber hinaus bietet Renesas umfassende technische Unterstützung und Entwicklungstools, die eine nahtlose Systemintegration in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen ermöglichen.
Autor:
Marco Ruggeri ist Energy & Datacenter Power System Architect Manager bei Renesas Electronics
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