Maximierung der Stromversorgung: 240 W USB PD Referenzdesignlösungen mit höchsten Leistungskapazitäten

Der USB Power Delivery (PD) Standard entwickelt sich ständig weiter. Die neueste USB PD 3.2 Spezifikation unterstützt jetzt das Quellen und Senken von bis zu 240 W (48 V, 5 A). Dieser Artikel wird die Haupttrends in USB PD erörtern und darlegen, warum die Implementierung von USB-C im Jahr 2024 nicht mehr als Innovation gilt, sondern als gute Methode, um mit neuen Designs wettbewerbsfähig zu bleiben. Schließlich bietet der Artikel einen Überblick über eine Quelle- und Senke-Lösung, die 240 W unterstützt und Infineons Primary- und Secondary-Side-Controller, EZ-PD™ PMG1 Hochspannungs-Mikrocontroller mit integriertem USB-C PD und Infineons CoolGaN™ Leistungstransistoren verwendet.
 

USB ist derzeit ein anerkanntes Standardset in Verbraucher- und Automobilanwendungen und expandiert schnell in die Industrie- und E-Mobilitätssektoren. Beginnend mit der ersten offiziellen USB 1.0-Version im Jahr 1996, die Datenübertragungen von bis zu 1,5 Mbps und bis zu 2,5 W Leistung unterstützte, hat sich USB weiterentwickelt und unterstützt nun unglaubliche 80 Gbps und 240 W über ein einziges USB-C-Kabel. Dennoch waren etwa die Hälfte aller Besucher am Stand von Arrow auf einer kürzlichen Messe überrascht zu erfahren, dass USB-Standards bereits 240 W unterstützen.

Lassen Sie uns tiefer in die Details des USB-Type-C-Standardsteckers eintauchen. Der große Vorteil dieses Steckers liegt darin, dass die Schnittstelle dank ihres symmetrischen Designs steckerunabhängig ist - sie funktioniert unabhängig davon, wie er angeschlossen wird. Dieser Stecker unterstützt Energieübertragung bis zu 240 W und ermöglicht Protokolle wie HDMI, DisplayPort, Thunderbolt und andere durch seinen Alternate Mode, bekannt als Alt Mode. Diese Funktionen zusammen haben einen bedeutenden Einfluss auf die Branche gehabt.

Betrachtet man die Steckverbinderpins, die in Abbildung 1 gezeigt sind, so werden die Pins CC1 und CC2 – bekannt als Kabelkonfigurationspins – verwendet, um die Ausrichtung zu steuern und ihre Rollen zu bestimmen: Downstream Facing Port (DFP) für die Quellleistungsrolle, Upstream Facing Port (UFP) für die Senkenrolle und Dual-Role Port (DRP) für sowohl Quell- als auch Senkenrollen. Eine weitere Funktion der CC-Pins ist die Unterstützung des Datentransfers beim Aushandeln von Power-Delivery-Verträgen zwischen der Quelle und der Senke.

Vier differentielle Paare, die als RX/TX für USB 5 Gbps oder höhere Geschwindigkeiten bezeichnet sind, wurden ab USB 3.1 verwendet. Diese Leitungen arbeiten im Vollduplexmodus, während die beiden Paare von Legacy-Pins, D+/D-, die sich in der Mitte befinden, im Halbduplexmodus arbeiten. Pins, die als SBU oder SideBand Use gekennzeichnet sind, werden für Alt Modes verwendet, wie z. B. die Aktivierung der Videoausgabe für DisplayPort oder Thunderbolt. Die VBUS-Pins werden zur Leistungsversorgung von bis zu 240 W genutzt. Alle vier externen Masse-Pins (GND) sind für die Erdung vorgesehen. Eine ordnungsgemäße Erdung ist für USB-C bei hohen Datenraten und bei Fällen der Hochleistungsübertragung über den Steckverbinder unerlässlich.

Ein tiefer Einblick in den USB Power Delivery-Standard zeigt, dass, wie bereits erwähnt, die anfänglichen Versionen des USB-Standards eine maximale Leistung von 2,5 W (5 V@500mA) über VBUS erlaubten. Mit USB 3.0 erhöhte sich dies leicht auf 4,5 W (5 V@900mA), aber es war immer noch nicht ausreichend für viele Anwendungen.

Mit der Einführung von USB Type-C und Power Delivery im Jahr 2014 wurden die USB-Stromfähigkeiten erheblich erweitert. Standardmäßig erhöhte sich mit dem USB Type-C die maximal verfügbare Leistung auf 15 W (5 V @3 A). Mit der vollständigen Implementierung von USB PD wurde es möglich, bis zu 100 W (20 V @5 A) aus einer einzigen USB-Quelle zu liefern.

Ab der USB Power Delivery 3.1 erlaubt die Spezifikation bis zu 240 W (48 V @5 A). Alle Spannungspegel, die höher als 20 V sind, werden jetzt als Extended Power Range (EPR) kategorisiert. Die Spezifikation unterstützt auch einen Adjustable Voltage Supply (AVS)-Modus, der es ermöglicht, die Spannung in Schritten von 100 mV für Spannungen über 15 V anzupassen.

USB ist ein nahezu 30 Jahre alter Standard, aber die bedeutendsten Verbesserungen in Bezug auf Geschwindigkeit und Leistung wurden erst kürzlich beobachtet. In den letzten acht Jahren wurde USB-C von Mainstream-Geräteherstellern, wie Laptop- und Smartphone-Herstellern, übernommen.

Heutzutage verfügen die meisten Laptops über mindestens einen USB-C-Anschluss. Zusätzlich sind viele andere mobile Geräte auf USB-C umgestiegen, begleitet von einem spürbaren Anstieg an USB-C-Netzadaptern auf dem Markt. Gleichzeitig haben Automobilhersteller mehr USB-C-Anschlüsse in ihren Fahrzeugen hinzugefügt, um den Fahrern und Passagieren erweiterte Lademöglichkeiten zu bieten. Infolge dieses Trends wird erwartet, dass die Akzeptanz von USB-C im Embedded- und Industriesektor in den nächsten Jahren signifikant zunehmen wird.

Die Vision für 2025 und darüber hinaus ist, dass viele elektronische Geräte, die derzeit mit bis zu 240 W betrieben werden, USB-C als Standardanschluss für Datenkommunikation und Laden übernehmen werden.

Zu den wichtigsten Faktoren, die die USB-Verbreitung weiter vorantreiben, gehören das Rennen in der Batterietechnologie, der Übergang zu industriellen Anwendungen und die zunehmende weltweite Akzeptanz von USB. Auch lokale Vorschriften werden einen erheblichen Einfluss haben: USB Type-C und USB PD werden bis Ende 2024 in allen Ländern der Europäischen Union für viele Anwendungen verpflichtend. Ähnliche Diskussionen finden derzeit in den USA und anderen Ländern statt. Heutzutage geht es bei der Verfolgung dieser Trends nicht mehr nur darum, an der Spitze der Technologie zu stehen – es ist ein wichtiger Wettbewerbsvorteil geworden, der eine Marktposition sichert. Aber was sind die Hauptvorteile der Technologie, die eine so schnelle Verbreitung des Standards in den letzten Jahren vorantreiben?

Kombinierte Daten- und Stromfähigkeit: Einer der wichtigsten Treiber für das schnelle Wachstum von USB-C ist seine Fähigkeit, Hochgeschwindigkeitsdaten, Video und Strom über einen einzigen, schlanken Anschluss zu übertragen. Diese Funktion ermöglicht das Design von kleineren und dünneren Geräten.

Vereinheitlichungs- und Wiederverwendungs-Vorteil: Traditionelle Netzteile haben feste Spannungs- und Stromstärken und verfügen oft über einzigartige Rundstecker, was bedeutet, dass sie nur mit dem vorgesehenen Gerät verwendet werden können. Solche Adapter sind oft nicht mit anderen Geräten kompatibel.

Im Gegensatz dazu sind USB-C-Stromadapter universell kompatibel und bieten einen USB Type-C-Anschluss, der bei vielen Geräten funktioniert. Darüber hinaus ist es mit dem 240-W-USB-PD-Adapter möglich, Spannungen und Ströme bis zu 240 W (48 V @5 A) auszuhandeln. Dies ermöglicht das Laden jedes USB-Geräts bis zu 240 W, einschließlich 5 V oder 15 V Geräten, 45 W Handys und 160 W Laptops. Sogar Ihre zukünftigen Geräte, z.B. Elektrowerkzeug, E-Bike oder Consumer-3D-Drucker könnten möglicherweise mit demselben Adapter geladen werden. Ein einzelner USB-Stromadapter kann verwendet werden, um viele Geräte zu laden, wodurch Kosten für Verbraucher gespart werden.

Einsparung von F&E- und Herstellungskosten: Kundenspezifische Stromversorgungen, sei es integriert oder mit einem kundenspezifischen Anschluss, erfordern oft zusätzliche Investitionen in Design, Herstellung und Tests, insbesondere wenn die Produktionsmengen nicht sehr hoch sind.

Die Verwendung eines USB-C-Netzadapters anstelle eines kundenspezifischen Netzteils zusammen mit einem geeigneten Infineon USB-C PD-Controller zur Leistungsaufnahme wird dazu beitragen, das Kosten-pro-Watt-Verhältnis zu senken. Dies wird aufgrund des hohen Wettbewerbs unter den Ladegeräteherstellern auf dem Massenmarkt natürlich geschehen.

Verkürzung der Markteinführungszeit: Zusätzlich zu den höheren Kosten für das externe oder integrierte Ladegerätedesign erfordern kundenspezifische Lösungen häufig erheblich mehr Zeit für F&E und weitere Tests. Während die einfache Sink-USB-Implementierung zusammen mit dem zertifizierten USB-Ladegerät in den meisten Anwendungsfällen eine schnellere Markteinführung ermöglicht.

Reduzierung der Abhängigkeit von OEMs: Eine weitere Situation entsteht, wenn das Netzteil oder integrierte AC/DC-Leistungsmodul von einem OEM-Hersteller stammt. In diesem Fall kann die Zukunft des Projekts stark von den Fertigungsplänen Dritter abhängen. Sobald die USB-Sink-Funktion implementiert ist, können alle zertifizierten USB-Adapter mit ähnlichen Leistungsfähigkeiten aus dem Verbrauchermarkt verwendet werden, wodurch die Abhängigkeit von einem einzigen OEM-Lieferanten reduziert wird.

Reduzierung von Elektroabfall: Auf den ersten Blick mag es nicht offensichtlich sein, aber die Vereinheitlichung von Ladegeräten hat einen erheblichen Einfluss auf den Umweltschutz. Während jedes einzelne Ladegerät klein ist, sind die ökologischen Konsequenzen erheblich, wenn man die Millionen von Ladegeräten bedenkt, die jedes Jahr entsorgt werden.

Verbesserung der Markenwahrnehmung: Die Tatsache, dass das Designunternehmen stets mit Trends Schritt hält, verleiht Ihrem potenziellen Kundenstamm stets zusätzliche Attraktivität. Stellen Sie sich vor, wie Sie sich fühlen würden, wenn Ihr Unternehmen moderne und teure Messtechnik kaufen würde, die mit einer CD für die Installation der Treiber und Software-Tools geliefert wird.

USB Type-C Stecker: Neben all den zuvor genannten USB-Antriebsfaktoren und Vorteilen war das wichtigste Merkmal die Einführung des 24-poligen USB Type-C Steckers im Jahr 2014 (siehe Abbildung 1).

Entsprechend den neuesten Trends in der Branche haben Arrow und Infineon das neue 240-W-PD-3.1-Sink-Referenzdesign unter Verwendung des Infineon EZ-PD™ PMG1-S3 Hochspannungs-Mikrocontrollers eingeführt, das für Hochleistungs-USB-Anwendungen konzipiert ist. Das neue Referenzdesign unterstützt bis zu 48 V @5 A Power Delivery Object (PDO) Sink-Modus, was dem höchsten Niveau entspricht, das mit den neuesten USB PD-Standards erreichbar ist.

Das Referenzdesign erweitert die bestehenden Leistungssenkenfähigkeiten der Infineon EZ-PD™ PMG1 Familie von Hochspannungs-Mikrocontrollern von 140 W auf 240 W, was für viele leistungsintensive und schnellladende Anwendungen wichtig ist.

Diese 240-W-Senke-Referenzdesign-Platine REF_ARIF240WS3, in Abbildung 4 gezeigt, ergänzt die kürzlich veröffentlichte USB PD 3.1-Quellbewertungsplatine von Infineon REF_XDPS2222_240W1. Diese Kombination ermöglicht es Ingenieuren, zu den ersten auf dem Markt mit einer kompletten 240-W-USB-PD-3.1-Quell-Senken-Lösung zu gehören.

Das komplementäre Design für eine 240-W-Stromquelle, Infineons REF_XDPS2222_240W1, basiert auf CoolGaN™-Technologie. Es handelt sich um ein hocheffizientes USB PD 3.1 Referenzdesign in Form eines kompakten Formats mit einer Leistungsdichte von 25 W/in³, bei Verwendung des XDP™ Digital Power XDPS2222 PFC + Hybrid-Flyback (HFB) Combo-IC (Abbildung 5).

Die interne Handshaking zwischen dem PFC- und dem HFB-Controller sowie die adaptive Busspannungseinstellung machen den XDP™ XDPS2222 Controller perfekt für Anwendungen mit weitem AC-Eingang und sehr weitem Ausgangsspannungsbereich, wie z.B. USB PD Extended Power Range (EPR) Adapter und Batterieladegeräte. Die Hauptmerkmale umfassen HFB ZVS Hoch- und Niederspannungsbetrieb, schnelle HFB-Gipfelstromregelung, harmonisierte PFC- und HFB-Betriebe, Pulsüberspringen bei leichten Lasten, automatische PFC Ein-/Ausschaltsteuerung und selbstanpassende PFC-Busspannungsebene.

Diese Referenzdesigns sind dazu gedacht, eine Vielzahl von Anwendungen zu unterstützen, wie leichte Elektrofahrzeuge (E-Bikes, E-Scooter und andere persönliche E-Mobilitätsgeräte), Drohnen, mobile Roboter, 3D-Drucker, professionelle AV-Geräte, Elektrowerkzeuge, medizinische Geräte, Haushaltsgeräte, Unterhaltungsgeräte für zu Hause und mehr.

Aber im Allgemeinen könnte jede Anwendung, die 0 bis 240 W erfordert, von der Verwendung von USB-C für die Stromversorgung und den herausragenden Merkmalen von USB PD, die durch diese fortschrittlichen Designs bereitgestellt werden, profitieren.

Beide Referenzdesigns sind auf Anfrage erhältlich. Zusätzlich zur technischen Unterstützung bietet Arrow eine Reihe von technischen Support-Dienstleistungen an, darunter Schaltungsanpassung und PCB-Modifikationen, die helfen, das Potenzial der Kundenentwürfe zu maximieren und die Markteinführungszeit zu verkürzen.