Компактное зарядное устройство USB Type-С
На рынке предлагается немало зарядных устройств USB Type-C, но, похоже, это первое из них, которое обладает лаконичной архитектурой, позволяющей сократить место на печатной плате за счет высокого уровня интеграции.
Введение
Новый стандарт USB 3.1 Type - C в очень большой мере упрощает соединение электронных устройств и их питание. В этом стандарте разъем USB Type-C применяется для передачи данных и энергии между любыми двумя устройствами мощностью до 100 Вт (см. рис. 1). Следовательно, от системы зарядки батарей требуется большая функциональность; при этом массогабаритные показатели этой системы уменьшаются с появлением новых переносных устройств. В статье рассматривается типовая зарядная система USB Type-C и способы, позволяющие упростить ее проектирование, обеспечить более высокую мощность и больший функционал в малом занимаемом пространстве.
Рисунок 1
Рисунок 2
Разъем USB-C и смартфон
Типовая система USB 3.1 Type-C по управлению питанием
Стандарт USB 3.1 Type-C
USB 3.1 Type-C (т. н. USB-C) – новый стандарт, который поддерживает высокие скорости обмена данными и передачу более высокой мощности между электронными устройствами. Скорость, достигаемая при использовании USB 3.1, составляет 10 Гбит/с. Ток достигает 3 А при использовании стандартных кабелей и 5 А – при использовании усовершенствованных кабелей. Напряжение шины регулируется до уровня 20 В (60 Вт при 3 А в случае стандартного кабеля и 100 Вт при 5 А – при использовании усовершенствованного кабеля). Поскольку для работы многих современных ноутбуков требуется менее 100 Вт, новые модели можно заряжать через USB-порт также, как другие небольшие устройства.
Стандарт USB 3.1 Type-C требует, чтобы устройство предварительно согласовало передачу энергии либо с ее источником, либо с потребителем. Разъемы на обоих концах кабеля Type-C идентичны друг другу, благодаря чему допускается обратное подключение. Каждый разъем можно подключать к устройству и той, и другой стороной. Стандарт USB Type-C также предусматривает передачу энергии в двух направлениях. Это значит, что возможна двунаправленная передача мощности между периферийным и хост-устройством. Благодаря такому подходу исключается необходимость в использовании многих проприетарных блоков питания и USB-кабелей разных типов, что сокращает количество проводов, используемых настольными компьютерами.
Определение конфигурации канала
Новой функцией стандарта USB Type-C является определение конфигурации канала (configuration channel, CC). Логический блок этого канала обнаруживает наличие кабеля, его ориентацию и токонесущую способность. Обнаружение кабеля происходит по факту снижения напряжения на одной из двух CC-линий. Ориентация кабеля определяется по тому, на какой из двух линий снизилось напряжение. Токонесущая способность определяется значениями согласующих резисторов. Еще одной новинкой этого стандарта является холодное подключение – подача напряжения 5 В только после успешного завершения сквозного детектирования. Эта функция делает обязательным определение конфигурации канала в приложениях USB Type-C.
Типовая система USB 3.1
На рисунке 2 представлен входной каскад типовой системы по управлению питанием портативных устройств, к которому подключается кабель USB Type-C. Питание осуществляется от литиево-ионной батареи.
Напряжение VBUS питает зарядное устройство, систему и остальные блоки. Батарея заряжается через QBATT, работающий в качестве источника тока. После отключения напряжения VBUS батарея питает систему через QBATT, работающий как замкнутый ключ.
Согласно протоколу USB Type-C, с помощью выводов CC1 и CC2 (см. рис. 2) осуществляется соединение порта и его управление, определяется ориентация кабеля и функции. Зарядное устройство на рисунке 2 также поддерживает протокол Battery Charger 1.2 (BC1.2).
Типовое решение  
Типовая реализация батарейной системы обходится очень дорого и занимает много места на печатной плате. На рисунке 3 указан размер печатной платы и блок обнаружения, реализованный с помощью двух ИС. Суммарная площадь решения, состоящего из двух кристаллов, и пассивных компонентов составляет 61 мм2.
Высокоинтегрированное решение  
Сократить перечень элементов можно за счет повышения уровня интеграции. На рисунке 4 синими линиями обведены те блоки, которые можно интегрировать в одну ИС по управлению питанием. Благодаря такой интеграции система значительно упрощается (см. рис. 5).
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5
Размеры интегрального решения на печатной плате
Синими линиями обведены блоки, которые можно интегрировать в микросхему
Интегральное зарядное устройство
Интегральное зарядное устройство USB Type-C
Уровень интеграции микросхемы MAX77860 еще выше. Это высокоэффективное зарядное устройство с одним входом, переключением режимов и функцией обнаружения USB Type-C CC (см. рис. 6) предназначено для зарядки одноэлементных литиево-ионных батарей. Микросхема поддерживает приложения мощностью до 15 Вт, имеет функцию повышения напряжения в обратном направлении, высоковольтный LDO-стабилизатор и 6-канальный АЦП. Это импульсное зарядное устройство обладает надежной тепловой защитой, может работать в режимах поддержания постоянного выходного тока (СС) или постоянного выходного напряжения (CV). Устройство программируется через интерфейс I2C с поддержкой широкого диапазона размеров батареи и нагрузок системы. ИС выполнена в компактном корпусе WLP размером 3,9×4,0 мм.
Соответствующая топология печатной платы показана на рисунке 7. Интегральное решение с пассивными компонентами занимает площадь 42 мм2, что на 30% меньше, чем в исходном варианте.
Простота использования
В типовой системе микроконтроллер или хост-микропроцессор задает предельное значение входного тока зарядного устройства исходя из уровня тока, который определила ИС контроллера порта. Микросхема MAX77860 самостоятельно устанавливает предельное значение входного тока зарядного устройства, позволяя ему заряжать батарею с помощью источника питания, работающего на полную мощность, что ускоряет процесс зарядки. Кроме того, при использовании такого подхода упрощается разработка программного обеспечения для хоста.
Универсальность решения
Обратная совместимость обеспечивает поддержку приложений, которые работают и с адаптерами USB Type-C, и с адаптерами более ранних версий. Встроенный АЦП высвобождает ресурсы микроконтроллера, обеспечивая точные измерения напряжения, тока и температуры для управления питанием.
Обратное повышение напряжения
USB On-The-Go (OTG) – спецификация, позволяющая USB-устройствам, в т. ч. переносным компьютерам и терминалам, игровым плеерам и приборам для мониторинга состояния здоровья работать в качестве хостов. Благодаря такой возможности допускается подключение к этим хостам других USB-устройств или аксессуаров – флэшнакопителей, цифровых камер, компьютерных мышей или клавиатур. Спецификация USB Type-C позволяет также осуществлять питание других устройств с помощью функции повышения напряжения в обратном направлении. На рисунке 8  показано, как реализуются функции зарядки и обратного повышения.
В режиме зарядки, когда ключ S1 замкнут, импульсный стабилизатор (ключи S2 и S3 работают в режиме понижения) уменьшает напряжение CHGIN, подаваемое на вывод SYS. С этого вывода линейный стабилизатор, управляющий проходным ключом S4, заряжает батарею (S4 вкл.).
В режиме повышения напряжения в обратном направлении (OTG) в отсутствие входного напряжения питания, напряжение батареи (S4 полностью включен) повышается (S2 и S3 синхронно переключаются в повышающем режиме) перед выводом CHGIN (S1 вкл.).
В этой схеме не требуется дополнительный дроссель для реализации режима обратного повышения. Повышенное напряжение на CHGIN используется для осуществления функции USB OTG. Ключ S1 разомкнут в батарейном режиме (battery-only mode).
Защищенный LDO-Стабилизатор
В состав рассматриваемой микросхемы входит защищенный высоковольтный линейный LDO-стабилизатор с выходным программируемым напряжением 3,3; 4,85; 4,9 и 4,95 В, которое программируется через I2C интерфейс. Этот стабилизатор, используемый для питания низковольтных USB-систем, включается, когда CHGIN ≥ 3,2 В, и отключается, если CHGIN превысит пороговую величину перенапряжения.
Рисунок 6
Рисунок 7
Рисунок 8
ИС MAX77860 по управлению питанием
Площадь, которую занимает на плате высокоинтегрированное решение, составляет всего 42 мм2
Работа в режимах зарядки и повышения напряжения в обратном направлении
Выводы
Новый стандарт USB 3.1 Type - C требует большей функциональности от систем батарейной зарядки, даже если они интегрированы в портативные устройства, массогабаритные параметры которых постоянно уменьшаются. Мы рассмотрели типовое решение для зарядки с невысоким уровнем интеграции и, соответственно, большим перечнем элементов и занимаемой площадью.
Высокоинтегрированное решение, например, 3-А импульсное зарядное устройство USB Type-C MAX77860, существенно упрощает систему за счет интеграции зарядного устройства, тракта питания, безопасного LDO - стабилизатора, АЦП, функций обнаружения USB-C Configuration Channel и BC 1.2 в одном небольшом корпусе WLP размером 3,9×4,0 мм с шагом между выводами 0,4 мм. Благодаря интеграции функционала OTG отпала необходимость в использовании дополнительного дросселя. Такой уровень интеграции упрощает разработку, обеспечивает подачу более высокой мощности и реализацию большего числа функций при меньшей площади, занимаемой на печатной плате.