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Fast Role Swap bei USB PD 3.0 nutzen

10. Dezember 2020, 15:00 Uhr   |  Dr. Zhigang Liang, Renesas Electronics America

Fast Role Swap bei USB PD 3.0 nutzen
© tomekwalecki / Pixabay

Fast Role Swap ist eine neue Funktion von USB-Power-Delivery 3.0. Um diese Funktion gewinnbringend zu nutzen, muss man beim Stromversorgungsdesign jedoch einiges beachten.

USB-C revolutioniert derzeit die Art und Weise, wie wir unsere elektronischen Geräte miteinander verbinden. Dank der schnellen Datenübertragung und der hohen Energiezufuhr nimmt die Akzeptanz dieser Schnittstelle immer mehr zu. Außerdem reifen die Spezifikationen USB-Power-Delivery (PD) 3.0 und USB-C weiter. Während die OEMs im Bereich der Unterhaltungselektronik schnell vorankommen und USB-C als ihre standardmäßige Strom- und Datenverbindung implementieren, gibt es immer noch Herausforderungen zu meistern.

Was ist Fast Role Swap?

Der vorliegende Beitrag erörtert, wie sich Fast Role Swap (FRS), eine neue Funktion in der aktuellen USB-PD-3.0-Spezifikation, auf das Stromversorgungsdesign mobiler Computer auswirkt.

Ziel von FRS ist es, zu verhindern, dass bei einem USB-PD-fähigen Hub und all seinem Zubehör mit externer Stromversorgung die Datenkommunikation abbricht, wenn der Upstream-orientierte Port (Upstream Facing Port, UFP) des Hubs die Stromzufuhr unterbricht. In einer typischen Konfiguration werden ein Laptop-Computer und ein LCD-Monitor an den USB-Hub angeschlossen (Bild 1, oben). Der Netzadapter wird an den USB-Hub angeschlossen und versorgt den Hub mit Strom, bis ein FRS auftritt. Der USB-PD-Hub versorgt die USB-Komponenten (z. B. Flash-Laufwerk) mit Strom, und der Laptop-Computer mit dem USB-PD-Host nimmt Strom auf.

Renesas Electronics, USB-C, FRS
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Bild 1: Energiefluss des USB-C-Systems bei vorhandener Stromversorgung (oben) und bei abgezogenem Netzstecker (unten).

Der untere Teil von Bild 1, zeigt, wie die Energie nach Entfernen der Stromquelle im System fließt. Der USB-PD-Hub erkennt, dass die Stromversorgung ausgefallen ist, und sendet ein FRS-Signal über die CC-Leitung (Configuration Channel) vom Hub-Dual-Role-Port (DRP) an den Host-DRP. Der USB-PD-Host überwacht die CC-Leitung und erkennt das FRS-Signal, sodass er seine Rolle bei der Stromversorgung wechselt und von einer Senke zur Quelle wird. Infolgedessen beginnt der Hub-DRP damit, Strom aufzunehmen. Das USB-Flashlaufwerk und der Monitor als Zubehör arbeiten während des FRS-Ereignisses weiter und bemerken gar nicht, dass die bisherige Stromversorgung ausgefallen ist.

Fast-Role-Swap bringt jedoch neue Herausforderungen für das Design der Stromversorgung mit sich. Obwohl FRS leicht nachzuvollziehen ist, gestaltet sich die Einhaltung der FRS-Spezifikation als schwierig. Die größten Herausforderungen sind folgende:

Die zeitliche Anforderung, definiert als Parameter tSrcFRSwap, beträgt weniger als 150 µs. Dies ist die Zeitspanne, in der die USB-Spannung Vbus unter den Grenzwert vSafe5V fällt, bis die neue Stromversorgung über den USB-C-Port Strom liefert.

Verschiedene Szenarien hängen davon ab, ob der Pegel von Vbus höher als vSafe5V oder bei vSafe5V ist. Ist die alte Vbus-Spannung höher als vSafe5V, wartet die neue Spannungsversorgung, bis Vbus auf das vSafe5V-Fenster abfällt. Erst dann beginnt sie mit der Regelung von Vbus und bleibt dabei innerhalb der vSafe5V-Spezifikation. Andernfalls muss die neue Stromversorgung nach dem Empfang des FRS-Signals mit der Regelung von Vbus beginnen, auch wenn die alte Vbus-Spannung 5,0 V beträgt. Die fehlende Pufferzeit für die neue Spannungsversorgung stellt eine Herausforderung dar.

Renesas Electronics, USB-C, FRS
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Bild 2: (links): Typische Stromversorgungslösung für Fast Role Swap (FRS); (rechts): eine neuartige Stromversorgungslösung für FRS mit bidirektionalem Batterieladegerät.

Implementierung von Fast Role Swap

Laptops verfügen an jedem USB-C-Anschluss über einen USB-PD-Controller, um das FRS-Signal zu erkennen und den eingebetteten Controller (EC) zu benachrichtigen. Bild 2 (links) zeigt eine typische Stromversorgungslösung für Fast-Role-Swap. Nachdem ein FRS-Ereignis erkannt wurde, stoppt das Buck/Boost-Ladegerät seinen Betrieb, indem es in den reinen Akkubetrieb wechselt. Währenddessen wird der Eingang des DC-DC-Wandlers mit dem Batteriepack verbunden und dessen Ausgang zum DRP-Port umgeleitet, um Vbus auf vSafe5V zu halten. Diese Lösung erfordert möglicherweise einen zusätzlichen DC-DC-Wandler und zusätzliche Energiepfad-Steuerungen, um den Batteriestrom über den Wandler an den DRP-Port zu leiten.

Bild 2 (rechts) zeigt eine neuartige Lösung, bei der das Buck/Boost-Ladegerät im Rückwärtsbetrieb läuft, um Vbus auf vSafe5V zu regeln. Denn aufgrund seiner symmetrischen Architektur kann das Batterieladegerät bidirektional arbeiten. Im Vergleich zur typischen Lösung (links) entfällt damit der DC-DC-Wandler einschließlich Leistungspfadwähler und Schalter. Am wichtigsten ist, dass das Buck/Boost-Ladegerät durch seine schnelle Umschaltung der Regelschleife die Arbeitsrichtung innerhalb von 150 µs wechseln kann, einschließlich Fehlerkorrektur und Kommunikation mit dem Ladegerät. Darüber hinaus stellt die neue Lösung nach einem FRS-Ereignis auch den vollen Spannungsbereich von 5 V bis 20 V für USB On-The-Go (OTG) nahtlos zur Verfügung. Etablierte Lösungen können dies nicht.

Fazit

Dank der FRS-Funktion bei USB PD 3.0 lässt sich die Stromversorgung unterbrechungsfrei aufrechterhalten und das System kontinuierlich in Betrieb halten. Fast-Role-Swap erweitert die Zielsetzung von USB-C, eine flexible Schnittstelle für den Datentransfer und die Stromversorgung zu schaffen. Mobile Geräte können ein Buck/Boost-Batterieladegerät verwenden, um FRS-Ereignisse ohne zusätzlichen DC-DC- oder Speisepfad zu unterstützen und gleichzeitig die Anforderungen der USB-C-Spezifikation zu erfüllen.

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