Umschaltbares 20-W-Netzteil
USB-C-Netzteil mit Power-Delivery-Protokoll
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Controller-IC für Sperrwandler und Synchrongleichrichter
Die IC-Familie InnoSwitch von Power Integrations [3] vereint den primärseitigen Leistungs-MOSFET, den primär- und sekundärseitigen Regler und den MOSFET-Treiber für den Synchrongleichrichter in einem einzigen, kompakten Gehäuse (Bild 2). Die sekundärseitige Regelung arbeitet ohne Optokoppler – die Signalübertragung zwischen dem primären und dem sekundären Regler erfolgt über eine breitbandige magnetische Kopplung, die als „Fluxlink“ bezeichnet wird. Sie arbeitet digital, ist komplett im IC realisiert und benötigt keinen Kern. Das Gehäusematerial ist das gleiche wie bei herkömmlichen ICs. Der sekundärseitige Regler fungiert als Master, der die Schaltvorgänge sowohl für den sekundärseitigen als auch den primärseitigen Leistungs-MOSFET initiiert. Dadurch entfällt die unsichere Vorhersage des Schaltzustands.
Dieses Konzept verhindert durch die deterministische Ansteuerung der beiden Leistungs-MOSFETs zuverlässig, dass beide MOSFETs gleichzeitig eingeschaltet sind. Die nahezu verzögerungsfreie Kommunikation per FluxLink ermöglicht dem sekundärseitigen Regler eine präzise Steuerung sowohl des primärseitigen Leistungs-MOSFET als auch des sekundärseitigen Gleichrichter-MOSFET. Der Regler erzielt dadurch nahezu optimale Ein- und Ausschaltzeiten über den gesamten Lastbereich, und zwar im lückenden Betrieb (diskontinuierlicher Stromfluss), im Betrieb ohne Stromlücke (kontinuierlicher Stromfluss) und sogar bei fehlerhaften Betriebszuständen. Dadurch ist die Stromversorgung eigensicher und arbeitet stets mit maximalem Wirkungsgrad.
InnoSwitch-ICs sind auf Sicherheit geprüft nach UL1577 [4] und EN 60950 [5]. Zudem erfüllen sie die Kriechstrecken-Anforderungen für den Betrieb in Höhen bis 5000 m nach CQC (China Quality Certification Centre). Als sicherheitsgeprüftes Bauteil kann ein InnoSwitch-IC im Isolationsbereich zwischen Primär- und Sekundärseite der Stromversorgung platziert werden. Das bedeutet, dass das IC auf der Leiterplatte keine Fläche beansprucht, die anderweitig nutzbar wäre (Bild 3).
Die Ausgangsspannung kann für den Regler direkt mit einem einfachen Widerstandsspannungsteiler erfasst werden. Angesichts der immer kleiner werdenden Netzgeräte ist die direkte Erfassung ein wichtiger Aspekt, weil dadurch kleinere Ausgangskondensatoren verwendet werden können. Das bedeutet: höhere Leistungsdichte, höhere Zuverlässigkeit und leichtere Herstellbarkeit.
USB-Netzteil mit programmierbarer Schnittstelle
Die USB-PD- und Type-C-Standards ermöglichen veränderliche Betriebsspannungen und erfordern deshalb ein steuerbares Netzteil sowie eine Kommunikation mit dem zu ladenden oder zu speisenden Gerät. Hierfür wird eine programmierbare und flexible Schnittstelle benötigt.
Die USB-PD-Type-C-Controller CCG2 von Cypress [6] sind für diese Aufgabe geeignete programmierbare Schnittstellen-ICs. Diese zweite Generation der Schnittstellen-Controller für USB Type-C basiert auf einem Cortex-M0-Prozessorkern von ARM und ist mit 32 KB Flash-Speicher ausgestattet. Die Firmware des Schnittstellen-Controllers kann jederzeit aktualisiert werden, sei es während der Entwicklung, in der Produktion oder im Betrieb. Die CCG2 wurden vom USB Implementers Forum (USB-IF) für USB PD Type-C zertifiziert.
Im USB-PD-/Type-C-konformen Referenzdesign DER-533 [7] für eine steuerbare Stromversorgung mit 5 V, 3 A oder 9 V, 2,2 A hat Power Integrations seinen Schaltregler-IC InnoSwitch INN2215K mit dem Schnittstellen-Con¬troller CYPD2134 von Cypress kombiniert. Der Schnittstellen-Controller enthält einen Type-C Transceiver einschließlich Abschlusswiderständen und ist intern gegen elektrostatische Entladung geschützt; das verringert den Bauteilaufwand. Als externes Netzteil erfüllt oder übertrifft die Referenzdesignschaltung (Bild 4) die Wirkungsgrad-Anforderungen des US-amerikanischen Energieministeriums (DOE), Level 6 [1], und der freiwilligen Selbstverpflichtung der Industrie für Europa (CoC), Stufe 2 [2].
Bei 5 V Ausgangsspannung wird ein mittlerer Wirkungsgrad von 84,4 % erreicht und bei 9 V liegt der mittlere Wirkungsgrad bei 87,4 % – sowohl bei 110 V als auch bei 230 V Eingangswechselspannung. Die Kommunikation zwischen Netzteil und einem USB-PD-konformen Gerät (Last) wickelt der Schnittstellen-Controller gemäß USB-Type-C-Spezifikation über die Kommunikationsleitungen CC1 und CC2 ab.
Literatur
[1] Electronic Code of Federal Regulations, Title 10 Energy, Part 430 – Energy Conservation Program for Consumer Products, Subpart C – Energy and Water Conservation Standards, US Covernment Publishing Office.
[2] Code of Conduct on Energy Efficiency of External Power Supplies, Version 5. Europäische Kommission, 29.10.2013.
[3] InnoSwitch Family. Power Integrations, Inc.
[4] UL 1577. Standard for Optical Isolators, Underwriters Laboratories.
[5] DIN EN 60950-1:2014-08; VDE 0805-1:2014-08. Einrichtungen der Informationstechnik – Sicherheit – Teil 1: Allgemeine Anforderungen.
[6] EZ-PD CCG2 Datasheet: USB Type-C Port Controller. Cypress Semiconductor.
[7] 20 W USB PD Power Supply Using Cypress CCG2 CYPD2134 and InnoSwitchTM-CP INN2215K. Power Integrations, Inc., Design Example Report, 28.6.2016.
Der Autor
| Shyam Dujari |
|---|
| ist ein äußerst erfahrener Halbleiterexperte, der seine Führungsqualitäten bereits in zahlreichen Märkten unter Beweis gestellt hat, darunter Mobilfunk-Infrastruktur, mobile Geräte, Server, Kommunikation, Industrie, Konsumelektronik, Medizin-, Mess- und Wehrtechnik. Er ist vertraut mit Mixed-Signal-, Analogtechnik, Spannungsreglern, A/D- und D/A-Umsetzern, Mikrocontrollern, Sensoren und Speichern. Er bekleidete Führungspositionen in den Bereichen Marketing, Vertrieb und Entwicklung. Dujari ist Inhaber von drei US-Patenten und kennt sich sowohl mit Marktdynamik als auch mit Technik aus. Er hat an zwei erfolgreichen Börsengängen teilgenommen und dabei geholfen, Wagniskapital in Höhe von über 40 Mio. US-Dollar zu beschaffen. Derzeit ist er Produktmarketingleiter bei Power Integrations. |
shyam@power.com
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