Annons

Snabbare USB-batteriladdning

De flesta telefoner som säljs idag kan laddas via USB. Gordon Lunn och Graham Brown från Future Devices Technology International (FTDI) beskriver här hur den senaste USB-standarden kan förkorta laddtiderna med en faktor fyra.

 

USB har etablerat sig som den vanligaste sammankopplingsteknologin. Tekniken används i fler är 10 miljarder portar och förekomsten skulle kunna utökas ytterligare om den också bleve den vanligaste metoden att kraftförsörja utrustningar. Lagstiftning både i Europa och Kina har nu föreskrivit att alla nya smarta telefoner skall ha möjlighet till USB-laddning. Detta kommer säkert att uppskattas av kunder då de inte längre behöver bekymra sig över att använda en speciell kabel som inte är kompatibel med andra produkter.

Upp till 10 W
USB-gränssnittet har potentialen att tillhandahålla tillräcklig laddning för många olika enheter via ett enhetligt gränssnitt. Hittills har nivån på laddning som USB stödjer varit relativt låg (USB 2.0 kan ge 500 mA ström). Tiden för att slutföra laddningsprocessen begränsar användningen något. Under åren har kunder vant sig vid relativt korta laddningstider och att behöva återgå till längre tider kommer inte att underlätta användningen av USB-laddning. Emellertid är ändring på gång.


Fig 1. Schema för konventionell USB-batteriladdning.

Version 1,2 av USB Charging Specification ger marknaden en grund på vilken laddning av enheter äntligen kan standardiseras. Införandet av nya laddningsmoder gör USB bättre optimerat för laddning av batterier i portabla enheter. Dedicated Charging Port (DCP) som innefattas i den reviderade specifikation gör det möjligt att leverera effekt upp till 10 W genom att stödja ström upp till 1,8 A. Detta är en betydande ökning jämfört med vad som tidigare var möjligt vilket resulterar i kortare laddningstider.

Grundläggande principer för dcp
USB-gränssnitt består av fyra skärmade ledningar av vilka två hanterar dataöverföringen (D-, D+) och två hanterar kraftmatningen (jord och VBUS). Vad som skiljer DCP från normal SDP (Standard Downstream Port) är att D+ och D- har kortslutits för att förhindra att dataöverföring att sker.


Fig 2. FTDIs familj X-CHIP.

Genom att kortsluta dessa två ledningar kan DCP informera portabla enheter om att porten den är ansluten till endast är till för laddning och inte kan fungera som värd. Genom att kunna skilja mellan DCP och SDP kan den anslutna enheten dra nytta av den större laddningsförmågan hos DCP.

Identifiera DCP
Fig 1 beskriver en laddningskoppling som uppfyller USB Charging Specification Version 1.2. En mängd diskreta komponenter behövs. Dessutom måste den centrala MCU-kretsen hantera DCP-identifiering vilket tar lite processorberäkning från huvudverksamheten vilket hämmar prestanda. Förutom att vara ineffektiv kräver denna metod många timmars kodning och kretskonstruktion.
Med USB-styrkretsarna i serien X-CHIP (fig. 2 och 3) underlättar FTDI för OEM-tillverkare av portabla enheter att addera USB-laddning till sina produkter. Dessa kretsar integrerar funktionalitet som automatiskt detekterar om anslutningen är till en DCP eller SDP utan ytterligare program eller hårdvara som i fig 1. När en DCP har detekterats sänder kretsen en signal på en av sina CBUS-anslutningar för att indikera detta till den portabla enheten.


Fig 3. Schema på en X-CHIP-enhet.

Detaljer på en batteriladdningskoppling med X-CHIP visas i fig.4. Kopplingen kan ladda ett batteri när den ansluts till en vanlig USB-värd eller en till en DCP.

Tillgänglig ström
När man konstruerar en periferienhet som skall kunna laddas över USB är det viktigt att betänka hur mycket ström som är tillgänglig. Det beror på om enheten är ansluten till en SDP eller en DCP och också på status (när den är kopplad till en SDP). Laddningshastigheten av batteriet är i sin tur beroende på resistansen till anslutningen PROG på batteriladdarkretsen LTC4053 från Linear Technology.
CBUS-anslutningarna är:
* BCD# – en ”open-drain”, aktive-låg utgångssignal som skall indikera att X-CHIP har anslutits till en DCP.
* PWREN# – en ”open-drain”, aktive-låg utgångssignal som indikerar att X-CHIP har aktiverats (enumerated) av USB-värdenheten.
* SLEEP# – en ”push-pull”, aktive-låg utgångssignal som indikerar när X-CHIP har satts i USB-viloläge (suspend). Den kan stänga av LTC4053 när kretsen strömförsörjs av en USB-värd och värden har ställt X-CHIP i viloläge.
Utgångarna PWREN# och SLEEP# indikerar status och gör att laddningskretsen kan justera laddningshastigheten till batteriet baserat på tillgänglig ström. Detta möjliggör kortare laddningstid när den ansluts till en värd som kan ge hög ström.


Fig 4. Schema på en förenklad USB-batteriladdare.

I fig. 4 bestämmer resistanserna R12, R13 och R14 resistansen på PROG-anslutningen på styrkretsen LTC4053. BCD# konfigurerar resistansnätverket på PROG-anslutningen för att ställa in en laddningsström. Med de visade värdena blir strömmen som framgår av tabell 1. Maximal ström till denna enhet inkluderar också strömmen till X-CHIP (bara 8 mA) och andra kretsar på kortet. Laddningsströmmen i detta exempel har satts något lägre än maximalt tillåten.
Utgångarna BCD#, PWREN# och SLEEP# har var och en konstruerats för att få så få yttre komponenter för laddningstillämpningar som möjligt. Normalt behövs externa MOSFET:ar för att välja område. Exempelvis när X-CHIP sätter signalen BCD# för att indikera DCP kortsluter denna open-drain-utgång R14 till jord och LTC4053:s PROG-utgång kommer att ha en resistans på 16,5 kohm i parallell med 1,5 kohm till jord. Detta leder till att en laddningsström på 1 A initieras. När X-CHIP kopplas till en normal USB-värd används inte denna anslutning och kretsen arbetar som ett konventionellt USB-gränssnitt. Eftersom signalen BCD# är ”open-drain” utan intern ”pull-up”-resistor kan den användas för att dra R14 till jord utan behov av extern MOSFET.


Tabell 1. Olika möjliga USB-laddningsnivåer.

CBUS-anslutningarna är som startläge ansluten till en ingång med svag ”pull-up” under uppstartförloppet tills MTP ROM är läst. Därefter kommer CBUS-anslutningarna få sina valda funktioner.

Flexibelt
Det är klart att på grund av den stora populariteten kommer USB att utgöra en mycket flexibel och behändig möjlighet för att ladda nästa generation portabla elektroniska enheter. Införandet av den uppdaterade USB-laddningsspecifikationen betyder att tiden det tar för en komplett laddning inte längre kommer att vara en utdragen process eftersom laddningen kan gå fyra gånger snabbare. Dessutom kan detta medföra att en minskad mängd elektroniskt skräp kommer ut i miljön varje år eftersom ett färre antal kraftmatningsdon behöver produceras och till slut slängas. Genom att dra nytta av en högintegrerad gränssnittslösning som den som skisserats i denna artikel i stället för en klumpigare dito baserad på diskreta komponenter är det möjligt att skapa smidigare och effektivare laddningskretsar för USB-gränssnitt för att strömförsörja portabla enheter. Dessutom betyder det att OEM-tillverkare kan minska antalet komponenter, utvecklingstid och ingenjörstid.
Gordon Lunn & Graham Brown, Future Devices Technology International (FTDI)

Comments are closed.