Projekt 45W ładowarki USB Power Delivery (PD) 3.0 na bazie układu InnoSwitch™ 3-Pro firmy Power Integrations

Firma Power Integrations, lider w dziedzinie projektowania i produkcji wysokonapięciowych układów scalonych dla energooszczędnej konwersji mocy, ogłosiła, że szereg konstrukcji zasilaczy opartych na układach scalonych InnoSwitch™ 3-Pro oraz InnoSwitch3-CP, uzyskało zgodność ze standardem USB Power Delivery (PD) 3.0. Podczas ostatnich warsztatów w Portland w Oregonie dziewięć projektów adapterów wyposażonych w układy scalone InnoSwitch3 - w tym kilka projektów zgłoszonych przez czołowych producentów zasilaczy - pomyślnie zakończyło testy zgodności USB PD 3.0. Kilka udanych projektów zawiera ponadto zaawansowaną funkcję PPS (Programmable Power Supply) w standardzie USB PD 3.0, która umożliwia szybsze ładowanie smartfonów, tabletów i notebooków bez generowania niebezpiecznie wysokiego poziomu ciepła w samym urządzeniu.

Dynamicznie konfigurowalna rodzina zintegrowanych przełączników InnoSwitch3-Pro firmy Power Integrations umożliwia cyfrowe mikrokrokowanie napięcia i prądu w celu precyzyjnego sterowania ładowaniem baterii. Układy posiadają zdolność do dostarczania do 65W i osiągnięcia sprawności do 94% i mogą być sparowane z mikrokontrolerem lub pobierać dane wejściowe z procesora systemu, aby sterować i monitorować zasilanie w trybie off-line. InnoSwitch3-Pro obsługuje praktycznie każdy protokół szybkiego ładowania, w tym USB PD 3.0 + PPS, Quick Charge™ 4/4 +, AFC, VOOC, SCP, FCP i inne przemysłowej oraz konsumenckiej klasy standardy ładowania akumulatorów, a także aplikacje ze sterownikiem ściemniania LED oraz konfigurowalne zasilacze przemysłowe.

"USB PD 3.0 będzie wszechobecny w urządzeniach mobilnych w najbliższej przyszłości. Funkcja PPS jest ważna nie tylko dla smartfonów i tabletów, ale także dla notebooków ze względu na ograniczenia termiczne dzisiejszych super-cienkich obudów. Ze sprawnością sięgającą 94%, rodzina układów scalonych InnoSwitch3-Pro umożliwia „chłodną” pracę urządzeń przy jednoczesnym zmniejszeniu wymaganych komponentów systemu."

Design Example Report DER-702

Nowy przykładowy raport projektu (DER-702) opisuje ładowarkę USB PD 3.0 o mocy 45 W z wyjściami 3.3-16V PPS na bazie układu InnoSwitch3-Pro oraz kontrolera USB PD Weltrend (WT6635P). Niezwykle wydajny układ przełączania InnoSwitch3-Pro wyposażony jest w cyfrowe mikrokrokowanie napięcia i prądu w celu precyzyjnego sterowania ładowaniem baterii, dzięki czemu projekt ten spełnia wymagania protokołu szybkiego ładowania PPS przy jednoczesnym zmniejszeniu specyfikacji systemu.

InnoSwitch™3-Pro

Prezentując nowy model drivera InnoSwitch™3-Pro z serii InnoSwitch, firma Power Integrations wykonała kolejny krok w rozwoju technologii układów scalonych tego typu. Dotychczas dostępne na rynku kontrolery przetwornic AC/DC, umożliwiały dość ograniczone możliwości zmiany parametrów takich jak np. napięcie wyjściowe, w czasie jej pracy. Oczywiście, możliwe było skonfigurowanie parametrów zasilacza wartością zewnętrznych elementów (np. rezystorów), ale każda zmiana tych parametrów w trakcie pracy, pociągała za sobą najczęściej konieczność znaczącej modyfikacji pętli sprzężenia zwrotnego i ingerencji w "oryginalny" sygnał sprzężenia. Innym wymogiem, który coraz częściej zaczął się pojawiać w założeniach projektowych, była zdolność zasilacza do bieżącego monitorowania swojego stanu. Do tych celów (regulacja i monitoring) projektanci najczęściej wykorzystywali mikrokontrolery z rozbudowaną częścią analogową, ale bezpośrednia współpraca (w sensie wymiany danych) pomiędzy driverem a mikrokontrolerem właściwie nie istniała. Rzecz jasna, w najbardziej zaawansowanych projektach spotyka się rozwiązanie polegające na tym, że to mikrokontroler realizuje funkcję drivera AC/DC, ale oczywiście jest to dość złożone zagadnienie i każda pomyłka może poskutkować nieodwracalnym uszkodzeniem zasilacza i zasilanego urządzenia. Z tego względu, nie jest to raczej popularne podejście.

Nowy driver, opracowany z myślą o wsparciu technologii USB Power Delivery, umożliwia wygodne, cyfrowe sterowanie oraz wymianę danych z zewnętrznym kontrolerem, za pomocą magistrali I2C. Bazą jest driver z najnowszej serii InnoSwich3™, z wbudowanym wysokonapięciowym MOSFET'em (do wyboru wersje na 650V lub 725V), zdolny do przeniesienia mocy do ok. 60W. Warto wspomnieć o wbudowanym sterowniku prostownika synchronicznego(działającego również w trybie ciągłym), szczególnie przydatnego przy dużych prądach wyjściowych, oraz do wykorzystania przełączania w qusi-rezonansie. Dzięki tym mechanizmom, zasilacz jest w stanie osiągać wysokie sprawności (ponad 90%) dla topologii Flyback, umożliwiając tym samym zastosowanie niewielkiej obudowy urządzenia (optymalizacja rozmiaru radiatora). InnoSwitch3-Pro rozbudowany został o moduł komunikacyjny I2C, wyjście 3.6V do zasilania mikrokontrolera, oraz o sterownik tranzystora (typu MOSFET), używanego do połączenia wyjścia przetwornicy z główną magistralą zasilającą odbiornika. Część cyfrowa jest podzielona na dwa moduły: sterowania i telemetryczny. Za pomocą tego pierwszego, można konfigurować parametry pracy przetwornicy, drugi służy do odczytu jej aktualnego stanu. Konfiguracja następuje poprzez zapis wartości do odpowiednich rejestrów

Najciekawsze funkcjonalności InnoSwitch3™-Pro:

• ustalenie kształtu charakterystyki wyjściowej (CV, CV/CC lub CV/CC z uwzględnieniem krzywej mocy),
• ustalenie napięcia wyjściowego (w zakresie 3V - 24V) i progu zadziałania ogranicznika prądowego (dla trybu CV, powyżej tego progu uruchomi się timer przeciążenia, a po określonym przez użytkownika czasie uruchomi się blokada),
• rodzaj reakcji drivera, w odpowiedzi na uaktywnienie wbudowanych zabezpieczeń (np. przed przekroczeniem założonego napięcia). Można wybierać pomiędzy auto-restartem, permanentną blokadą, lub brakiem reakcji. Oczywiście, dla każdego z zabezpieczeń można ustawić jej inny typ. Poziomy zadziałania poszczególnych zabezpieczeń również są ustawione przy pomocy wpisów w odpowiednie rejestry,
• dostępne są komendy dzięki którym można odłączyć wyjście przetwornicy od zasilanego obwodu (za pomocą zewnętrznego tranzystora), lub całkowicie wyłączyć przetwornicę.

Moduł telemetryczny, m.in. dzięki wbudowanym przetwornikom A/C, umożliwia pobranie przez mikrokontroler informacji nt. aktualnych parametrów pracy przetwornicy. Można odczytać poziom prądu i napięcia wyjściowego, oraz zawartość rejestru błędów. Rejestr ten jest aktualizowany w momencie uaktywnienia którego z zabezpieczeń. Warto wspomnieć, że przetwornica generuje sygnał przerwania dla mikrokontrolera, w momencie przekroczenia założonych warunków pracy. Dodatkowe zabezpieczenie polega na odłączeniu głównej magistrali i przejściu na „bezpieczne” 5V, w momencie stwierdzenia braku komunikacji z mikrokontrolerem. Pomimo tego, że sama przetwornica jest bardzo elastyczna w sensie zdolności do zmiany parametrów pracy, nie zwalnia to oczywiście projektanta z odpowiedzialności za poprawne zaprojektowanie zasilacza i dobranie odpowiednich komponentów, które to będą zdolne pracować we wszystkich konfiguracjach napięć i prądów. Oczywiście, Power Integrations tradycyjnie pomaga w tym procesie, oferując wsparcie w postaci oprogramowania PI Expert, oraz udostępniając szereg przykładów w postaci projektów referencyjnych. Warto może wspomnieć, że w projektach tych użyto mikrokontolerów produkcji firmy Microchip, które to również mamy w ofercie. W dokumentacji i nocie aplikacyjnej można znaleźć wiele przykładów gotowych do wykorzystania kodów źródłowych.