Stromversorgung über USB
Aufrüsten von USB-Ladegeräten von Typ-A auf Typ-C
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die Kapazität der leeren Buchse
Die zweite neue Anforderung besagt, dass die leere Typ-C-Steckbuchse an VBUS eine Kapazität von nicht mehr als 10 µF aufweisen darf. In der Schaltung von Bild 2 dient FET Q2 zum Abblocken des Inrush-Stroms in CBULKC. Q2 teilt die Kapazität so auf, dass CPDIN direkt mit VBUS am Steckverbinder verbunden ist, während CBULKC vom Steckverbinder getrennt ist. Da USB PD bis zu 100 W bereitstellen kann, ist die Kapazität von CBULKC möglicherweise sehr groß. In der Spezifikation USB 3.1 sind mehrere Gründe angeführt, den kapazitätsbedingten Inrush-Strom zu begrenzen. Zum Beispiel soll durch Einschränkung der Lichtbogenbildung die Lebensdauer des Steckverbinders erhöht werden (siehe USB 3.1, Abschnitt 11.4.4.1). Hieraus resultierte die Forderung, dass an USB Typ-B-Ports die Kapazität am VBUS-Pin der Steckbuchse auf 10 µF zu begrenzen ist.
Die USB Typ-C-Spezifikation definiert Kabel, die einen Typ-A-Stecker an einen Typ-C-Stecker führen (Bild 3). Das bedeutet, dass der unter Spannung stehende VBUS-Pin der Typ-A-Steckbuchse mit dem VBUS-Pin der Typ-C-Steckbuchse verbunden werden kann. Zum Schutz der bestehenden Typ-A-Ports müssen deshalb alle Typ-C-Steckbuchsen ihre Kapazität begrenzen, wenn sie VBUS nicht mit derselben 10-µF-Grenze für Typ-B-Ports zur Verfügung stellen.
Schließlich gibt es für ein USB PD-Ladegerät die Option zur Implementierung eines so genannte »Captive Cable«. Ein solches Kabel besitzt einen Typ-C-Stecker anstelle einer Typ-C-Steckbuchse. In der USB Typ-C-Spezifikation ist die Verbindung zwischen einer Typ-C-Steckbuchse und einem Typ-A-Stecker nicht definiert. Die Kapazität am VBUS-Pin muss deshalb nicht begrenzt werden, da eine mechanische Verbindung mit einem Typ-A-Port nicht vorgesehen ist. Hieraus ergibt sich die in Bild 4 gezeigte Optimierung, bei der FET Q2 wegfällt, während Q1 erhalten bleibt, sodass VBUS auf 0 V getrieben werden kann. Ein weiterer Vorteil des Captive Cable ist, dass nur ein CC-Pin benötigt wird, da der Typ-C-Stecker nur einen CC-Pin besitzt.
Die Anwendbarkeit dieser beiden neuen Anforderungen auf verschiedene Anwendungen ist in Tabelle 2 zusammengefasst.
In Systemen, in denen Q1 und/oder Q2 erforderlich sind (also in allen USB PD-Anwendungen), können Entwickler die Auswirkungen auf das System minimieren, indem sie FETs mit möglichst geringem RDS(on) wählen. Da N-Kanal-MOSFETs in der Regel kleinere RDS(on)-Werte aufweisen als P-Kanal-MOSFETs, empfiehlt sich die Wahl eines PD-Controllers, der N-Kanal-MOSFETs direkt ansteuern kann. Beispiele sind die von TI kürzlich vorgestellten USB PD-Controller TPS25740 und TPS25740A.
Wie bei allen neuen Technologien, müssen auch bei der Entwicklung eines USB Typ-C-Ladegeräts viele Details berücksichtigt werden. Das einfache Übernehmen von einem bestehenden USB Typ-A-Produkt scheidet deshalb aus.
Seminare zum Thema
Da das Laden mit USB Type-C ein sehr aktuelles Thema ist, bietet Texas Instruments eine Schulung zum Thema auf den Power Supply Design Seminaren (PSDS) an. Diese Seminare richten sich an alle Designer von Stromversorgungen. Sie bieten Schulungen und Demos von TI Experten für Einsteiger und Experten auf dem Gebiet der Power Supply Designs (mehr Informationen).
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