Utiliza un controlador de carga USB-C para implementar rápidamente la carga rápida sin firmware

Por Stephen Evanczuk

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

La tendencia hacia pantallas más grandes, un mayor rendimiento y un mayor flujo de datos en los teléfonos inteligentes 5G impulsa la necesidad de una mayor capacidad de la batería con capacidad de carga rápida. El reto para los diseñadores es ir más allá de los métodos de carga convencionales que introducen ineficiencias que pueden provocar un sobrecalentamiento a los niveles de potencia necesarios para satisfacer las expectativas cada vez más exigentes de los consumidores en materia de carga rápida.

La introducción de la capacidad de la fuente de alimentación programable (PPS) en el suministro de energía (PD) USB Type-C® (USB-C) 3.0 ayuda a proporcionar una solución eficaz, pero el desarrollo de firmware necesario todavía puede paralizar la entrega del producto.

En este artículo se describen los problemas asociados a la carga rápida de los teléfonos 5G y cómo el PPS PD USB-C 3.0 puede ayudar a los diseñadores a cumplir eficazmente los requisitos de carga cada vez más rápida de las baterías más grandes. A continuación, presenta y muestra cómo los desarrolladores pueden utilizar un controlador USB-C de ON Semiconductor altamente integrado que implementa el PPS PD USB-C 3.0 en una máquina de estado finito (FSM). Esto elimina la necesidad de desarrollar el firmware, lo que acelera la implementación de la carga rápida para los cargadores de próxima generación.

Los teléfonos inteligentes más potentes plantean nuevos retos a los adaptadores de carga rápida

Se espera que los teléfonos inteligentes 5G representen más del 50% del total de envíos de teléfonos inteligentes en 2023, según los analistas de mercado. Sin embargo, al utilizar estos teléfonos para aprovechar los servicios 5G, los usuarios se encontrarán con que la base actual de cargadores de teléfonos y estaciones de carga no estará a la altura de los requisitos de carga rápida de esta nueva generación de teléfonos inteligentes.

Como ya se ha visto en teléfonos 5G como el Samsung S20 Ultra 5G, estos sofisticados dispositivos ofrecen pantallas más grandes, así como una mayor capacidad de procesamiento y un rendimiento de datos mucho mayor que el disponible en los teléfonos de generaciones anteriores. Para adaptarse a sus pantallas más grandes y al correspondiente mayor consumo de energía, los teléfonos 5G disponibles ya cuentan con baterías más grandes. Por ejemplo, el Samsung S20 Ultra 5G cuenta con una pantalla de 6.9 pulgadas e incorpora una batería de 5,000 miliamperios hora (mAh), un 25% más de capacidad que el modelo anterior.

Si bien los consumidores esperan una mayor duración de la batería disponible con baterías de mayor capacidad, también esperan que los tiempos de carga sean aún más cortos, en lugar de un 25% más. Para los fabricantes que buscan satisfacer la creciente demanda de estaciones de carga en vehículos, hogares y oficinas, la necesidad de disminuir el tiempo de carga de las baterías de mayor capacidad se convierte en un reto importante frente a las limitaciones de las propias baterías.

Los fabricantes de baterías de iones de litio (Li-ion) especifican estrictos umbrales de corriente y tensión de carga. Una batería convencional de iones de litio de 1.000 mAh suele estar preparada para una tasa de carga de 0.7 C, o una corriente de carga de 700 mA. Aplicada a una batería de 5,000 mAh totalmente agotada, una tasa de carga de 0.7 C (o una corriente de carga de 3,500 mA) requeriría unos 45 minutos sólo para alcanzar un estado de carga del 50%.

Las tecnologías de celdas de batería más avanzadas pueden admitir tasas de carga superiores a 1 C, pero tanto el cargador como el dispositivo cargado tienen que adaptarse a niveles de potencia mucho más elevados. Por ejemplo, una batería de 5.000 mAh cargada a una tasa superior de 1.5 C solo necesitaría unos 22 minutos para cargarse del 0% al 50%, pero la corriente de carga de 7.5 amperios (A) podría estresar los componentes y generar una carga térmica excesiva incluso en sistemas de carga muy eficientes. De hecho, con la amplia aceptación de USB-C como la interfaz estándar de la industria para la alimentación y otras funcionalidades, un cargador compatible estaría limitado en la corriente máxima que podría entregar a través de un cable USB-C. La corriente máxima es de 5 A para los cables USB-C que contienen un CI emarker que proporciona información del cable a los dispositivos conectados. (En el caso de los cables sin señalización, la corriente máxima es de 3 A).

Por supuesto, los fabricantes de dispositivos móviles pueden superar esta limitación insertando una bomba de carga entre la entrada de alimentación y el circuito de carga de la batería. Para soportar un sistema de carga de 7.5 A, por ejemplo, el adaptador de viaje podría suministrar 10 voltios a 4 A, confiando en una típica bomba de carga de división por dos para dar salida a 5 voltios a unos 8 A al circuito de carga. Este enfoque permite que un adaptador de viaje aumente el voltaje del USB-C (VBUS) mientras mantiene un nivel de corriente compatible con el USB-C.

El aumento de la potencia de carga requiere un control más eficaz

La compatibilidad con niveles de VBUS superiores a 5 voltios ha permitido el uso de este enfoque de alta tensión y baja corriente. La especificación USB PD 2.0 define una serie de objetos de suministro de energía fijos (PDO) que especifican combinaciones de niveles de tensión fijos (5, 9, 15 y 20 voltios) y corrientes (3 o 5 A).

Aunque los PDO fijos de PD USB 2.0 permiten una mayor potencia de carga, establecer la tensión y la corriente de carga a niveles fijos demasiado altos o demasiado bajos puede dar lugar a una carga ineficiente, a cargas térmicas inaceptables y a un estrés en los componentes. En la práctica, los circuitos de carga funcionan con una eficiencia óptima cuando su tensión de entrada (suministrada por el USB-C VBUS) es ligeramente superior a su tensión de salida (tensión de la batería). Sin embargo, debido a que el voltaje de la batería cambia continuamente durante el funcionamiento normal, mantener este punto de eficiencia de carga óptima es un reto. A medida que la batería se descarga, la diferencia entre el voltaje de la batería y el voltaje de carga del USB-C (VBUS) aumentará, lo que reducirá la eficiencia de la carga. A la inversa, a medida que la batería se carga, el circuito de carga deberá reducir la corriente de carga para proteger la batería.

Sin la posibilidad de reducir directamente los niveles de carga suministrados por el adaptador de viaje, la disipación de energía aumentará, disminuyendo la eficiencia y generando calor. Como resultado, el nivel óptimo de carga cambia continuamente, a menudo en cantidades incrementales, lo que requiere un nivel correspondiente de control incremental en el voltaje y la corriente de carga para lograr la máxima eficiencia.

Cómo el PPS de PD USB-C 3.0 mejora la eficiencia

Diseñada para responder a la creciente necesidad de una carga más eficiente a una mayor potencia de carga, la función PPS de PD USB-C 3.0 permite que el dispositivo que se está cargando (receptor) solicite al cargador (fuente) que aumente o disminuya la tensión y la corriente de carga en pasos de mV y mA anunciados en PDO aumentados. Utilizando esta capacidad, un sumidero puede ajustar su tensión y corriente de origen para optimizar la eficiencia de la carga.

La introducción del PPS cambia radicalmente el funcionamiento del proceso de tarificación. En el pasado, el cargador de origen controlaba y ejecutaba el algoritmo de carga. Con PPS, el control del algoritmo de carga se traslada al sumidero, lo que requiere que la fuente ejecute el algoritmo según las indicaciones del sumidero.

Con el PPS, un teléfono inteligente u otro sumidero se comunica con una fuente de carga para optimizar el suministro de energía, llegando a un "contrato" de DP mutuamente acordado a través de un protocolo de negociación que implica un breve intercambio como el siguiente:

  1. La fuente descubre si el cable de conexión es capaz de 5 A
  2. La fuente anuncia sus capacidades de tensión y corriente de la fuente descritas en hasta siete PDO
  3. El sumidero solicita uno de los PDO anunciados
  4. La fuente acepta el PDO solicitado
  5. La fuente proporciona energía a los niveles de tensión y corriente acordados

Los dispositivos móviles avanzados, como el teléfono Samsung 5G mencionado anteriormente, utilizan esta capacidad para proporcionar una carga rápida utilizando cargadores compatibles. Para los fabricantes que diseñan adaptadores de viaje de carga rápida y construyen estaciones de carga en otros productos, la implementación de este tipo de protocolo de carga requeriría normalmente el desarrollo de un firmware controlador capaz de ejecutar el protocolo y operar los dispositivos de energía asociados. Sin embargo, para un estándar bien establecido como el PPS de PD USB-C, una solución FSM ofrece una alternativa eficaz, eliminando la necesidad de desarrollo de firmware que puede retrasar la entrega del producto final. Utilizando una implementación FSM de PD USB-C 3.0 que incluye PPS, el controlador de carga de fuente adaptable FUSB3307 de ON Semiconductor acelera el desarrollo de cargadores capaces de satisfacer los requisitos de carga rápida de los teléfonos inteligentes de próxima generación y otros dispositivos móviles con baterías de alta capacidad.

Controlador integrado para cargadores rápidos compatibles con PD USB-C 3.0

El FUSB3307 de ON Semiconductor es un controlador de fuente de alimentación integrado que permite la implementación del PPS de PD USB-C 3.0 sin necesidad de un procesador externo. Junto con la detección de cables, el controlador de puerta de carga, las múltiples funciones de protección y la regulación de tensión constante (CV) y corriente constante (CC), el dispositivo integra el gestor de políticas de dispositivos PD 3.0 completo, el motor de políticas, el protocolo y las capas PHY en hardware.

Diseñado para soportar cargadores CA/CC y CC/CC, el FUSB3307 puede proporcionar un conjunto completo de respuestas adecuadas a una fuente de alimentación de DP. Como resultado, los diseñadores pueden implementar una fuente de alimentación compatible con el PD USB-C 3.0 con el FUSB3307 y relativamente pocos dispositivos y componentes adicionales.

Cuando se conecta a un sumidero, el FUSB3307 detectará automáticamente las capacidades del dispositivo sumidero y del cable de conexión y anunciará sus capacidades de acuerdo con las especificaciones USB-C. Cuando el sumidero responde con la selección de un PDO soportado, el FUSB3307 habilitará VBUS y controlará los circuitos de alimentación para asegurar que los niveles de tensión y corriente de carga solicitados se entreguen al sumidero.

Dado que el FUSB3307 integra un conjunto completo de funciones de control, los principios fundamentales de funcionamiento siguen siendo conceptualmente los mismos tanto para el diseño de cargadores CA/CC como CC/CC. En respuesta a las órdenes del sumidero, el FUSB3307 en la fuente utiliza su pin de salida CATH para conducir una señal de control de retroalimentación a la etapa de potencia de la fuente. Durante las operaciones de carga, el FUSB3307 monitoriza la tensión de carga utilizando su pin VFB y la corriente de carga detectada a través de una resistencia de detección utilizando sus pines IS+/IS-. Estos niveles monitorizados alimentan a su vez los circuitos internos de error del bucle de tensión y corriente ligados a los pines de tensión (VFB) y corriente (IFB). Estas señales a su vez funcionan para controlar el pin CATH para el control de CV y CC. Otros pines del encapsulado de 14 pines del circuito integrado de contorno pequeño (SOIC) del FUSB3307 admiten el controlador de la puerta de carga, la interfaz del conector USB-C y las funciones de protección.

El controlador de fuente FUSB3307 simplifica el diseño del cargador

Los diseños para cada tipo de cargador utilizarán, por supuesto, diferentes configuraciones para la salida primaria CATH, la entrada VFB y otros pines. En un cargador de pared CA/CC o en un adaptador CA/CC, el FUSB3307 monitorizaría la tensión y la corriente en el lado secundario y conduciría la retroalimentación de control al lado primario (Figura 1).

Diagrama del diseño de CA/CC FUSB3307 de ON Semiconductor para un cargador o adaptador de pared (haga clic para ampliar)Figura 1: En un diseño de CA/CC para un cargador o adaptador de pared, el FUSB3307 responde a las órdenes de un dispositivo de carga para diferentes voltajes de carga controlando el controlador PWM a través de un optoacoplador aislante. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

En este diseño de carga, el pin de salida CATH del FUSB3307 se conectaría normalmente a un cátodo optoacoplador en el lado secundario para entregar una señal de control de retroalimentación a un controlador de modulación de ancho de pulso (PWM) del lado primario, como el NCP1568 de ON Semiconductor. En el lado secundario, las entradas de detección de tensión y corriente del FUSB3307 supervisarían la salida de un controlador de rectificador síncrono, como el NCP4308 de ON Semiconductor.

En un diseño de cargador de CC/CC utilizado en una aplicación de automoción, por ejemplo, el FUSB3307 controla directamente el controlador CC/CC. Aquí, la señal de retroalimentación del FUSB3307 CATH se conecta al pin de compensación (COMP) de un controlador CC/CC como el NCV81599 de ON Semiconductor (Figura 2).

Diagrama del diseño del cargador de CC/CC FUSB3307 de ON Semiconductor para un cargador de automóvil (haga clic para ampliar)Figura 2: En un diseño de cargador CC/CC para un cargador de automóvil, el FUSB3307 controla directamente la salida de voltaje de un controlador CC/CC, subiendo o bajando la salida según lo ordene un sumidero, como un teléfono 5G u otros dispositivos móviles. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

ON Semiconductor implementa este diseño específico de cargador CC/CC en su placa de evaluación FUSB3307MX-PPS-GEVB para el FUSB3307. Diseñada para funcionar con una sola fuente de alimentación de CC, la tarjeta proporciona una fuente de carga completa que cumple con la norma USB PD 3.0 con PPS, suministrando una corriente de 5 A (máx.) a niveles de VBUS desde el mínimo de 3.3 voltios de la norma hasta su máximo de 21 voltios.

La placa de evaluación permite a los desarrolladores explorar la interacción del FUSB3307 con dispositivos compatibles con el PD USB 3.0, así como con dispositivos PD USB 2.0 heredados. Los desarrolladores pueden comenzar inmediatamente a explorar el proceso de carga rápida mediante la monitorización del voltaje VBUS y la corriente entregada por la placa a un dispositivo con capacidad PD USB-C, como un portátil o un teléfono portátil.

Este enfoque ofrece una visión particular de la capacidad del FUSB3307 para interactuar con un teléfono PD USB 3.0 5G estándar, así como el uso del teléfono del protocolo PPS de PD USB 3.0 para optimizar su tensión y corriente de carga. En una demostración de esta capacidad [1], se observa que un Samsung S20 Ultra 5G comercializado emite una serie de comandos a la placa de evaluación FUSB3307MX-PPS-GEVB para modificar la tensión y la corriente de carga en pasos grandes y pequeños (Figura 3).

Gráfico de la placa de evaluación FUSB3307MX-PPS-GEVB de ON SemiconductorFigura 3: La placa de evaluación FUSB3307MX-PPS-GEVB de ON Semiconductor demuestra la capacidad del FUSB3307 de responder a los comandos de un teléfono 5G estándar para ajustar su tensión y corriente de carga. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

Después de conectar la placa y el teléfono en esta demostración, el teléfono 5G selecciona el PDO de referencia (5.00 voltios y 5.00 A como máximo) como se muestra en los primeros 10 segundos de la figura. En esta fase, la tensión de carga (VBUS) es de 5 voltios y el teléfono 5G consume unos 2 A de corriente de carga (IBUS). El teléfono 5G solicita entonces un PDO aumentado que declara la capacidad de la fuente para suministrar 8 voltios a 4 A. El FUSB3307 cumple con la solicitud y el cambio es inmediato: VBUS salta a 8 voltios, tal y como se ha solicitado, e IBUS muestra un aumento gradual a medida que el teléfono 5G aumenta la corriente de IBUS.

Tras este brusco salto en VBUS, se hacen evidentes los incrementos de potencia de carga posibles con PPS. El teléfono 5G solicita un aumento de 40 milivoltios (mV) en el VBUS aproximadamente cada 210 milisegundos (ms), aumentando gradualmente el VBUS hasta niveles aún más altos. Cuando el IBUS alcanza los 4 A (línea verde discontinua en la figura), el FUSB3307 utiliza el protocolo PPS estándar para emitir un mensaje de alerta que notifica al teléfono 5G que se ha alcanzado el límite de corriente solicitado. El teléfono 5G sigue emitiendo peticiones de nuevos aumentos de VBUS en incrementos de 40 mV, hasta llegar a los 9.8 voltios. En el uso cotidiano, este tipo de capacidad de carga adaptativa de la fuente puede lograr la máxima eficiencia de carga requerida para la carga rápida sin sobrecalentar o comprometer de otro modo el dispositivo del sumidero.

Utilizando la placa de evaluación FUSB3307MX-PPS-GEVB de ON Semiconductor, los desarrolladores pueden explorar inmediatamente el uso de PD USB-C en dispositivos existentes y ampliar el diseño de referencia asociado a la placa para implementar la carga rápida personalizada en unidades que cumplan con PD USB 3.0. Lo mejor de todo es que la implementación no requiere el desarrollo de firmware. Con el FUSB3307, los desarrolladores utilizan técnicas de alimentación conocidas para construir adaptadores capaces de aprovechar al máximo las capacidades de carga rápida de los teléfonos 5G de próxima generación y otros dispositivos compatibles.

Conclusión:

Aunque los teléfonos 5G aportan una gran cantidad de nuevas funciones y capacidades a los usuarios, las baterías de mayor capacidad necesarias para soportar estos dispositivos también suponen un reto para los diseñadores. En particular, deben garantizar que los adaptadores de viaje y las estaciones de carga ofrezcan una carga rápida sin sobrecalentar el teléfono.

Gracias a sus capacidades del PPS de PD USB 3.0 totalmente compatibles -y sin necesidad de desarrollo de firmware- el controlador de carga adaptativa FUSB3307 de ON Semiconductor ofrece una solución de diseño inmediata. Al utilizar este controlador en combinación con dispositivos y componentes de alimentación conocidos, los desarrolladores pueden implementar rápidamente adaptadores capaces de soportar una base en rápida expansión de teléfonos PD USB 3.0 capaces de 5G y otros dispositivos móviles.

Referencia

  1. Convergencia del 5G, la carga rápida y las fuentes de alimentación programables USB-C

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Acerca de este autor

Stephen Evanczuk

Stephen Evanczuk tiene más de 20 años de experiencia escribiendo para y sobre la industria de electrónica en un amplio rango de temas, entre ellos hardware, software, sistemas y aplicaciones, que incluyen IoT. Se doctoróen neurociencias (redes neuronales) y trabajó en la industria aeroespacial en sistemas seguros con distribución masiva y métodos de aceleración de algoritmos. Actualmente, cuando no escribe artículos sobre tecnología e ingeniería, trabaja en aplicaciones de aprendizaje profundo sobre sistemas de reconocimiento y recomendaciones.

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