USB typu C

USB typu C – nowa wersja znanego interfejsu komunikacji przewodowej

Przejdź do:
Przegląd rozwiązań firmy Richtek dla USB-C
Nowości firmy Richtek w zakresie rozwiązań USB-C
USB Type C a poprzednie wersje tego interfejsu
Zasilanie i ładowanie urządzeń z USB Type-C
Duża moc zasilania i szybki transfer wymagają odpowiednich kabli
Konfiguracja transmisji danych i zasilania w USB Type-C
Transmisja mocy zasilającej
Profile zasilania w USB-C
Kable z chipem E-marker
Odbiornik i źródło w jednym urządzeniu
Rozwiązania USB-C PD firmy Richtek
Przykładowe projekty adaptera obsługującego PD z RT7786 i RT7207
USB Type C w ładowarkach samochodowych
Kontrolery systemów obsługujących PD typu DRP
Chip identyfikacyjny dla kabli aktywnych


USB to po Ethernecie najpopularniejszy standard komunikacji przewodowej w elektronice konsumenckiej i profesjonalnej, który na rynku obecny jest już ponad 20 lat. Dzięki ulepszaniu jego kolejnych wersji, interfejs ten stał się wszechobecny – większości urządzeń elektronicznych powszechnego użytku w zasadzie już się nie produkuje się bez tego złącza. Nowa wersja złącza USB Type-C, która zadebiutowała na rynku w 2014 roku, w połączeniu ze specyfikacją USB 3.1 przynosi wiele usprawnień i wartych uwagi nowości.

Najbardziej widoczna jest zmiana konstrukcji wtyku i gniazda. 24-pinowa wtyczka Type-C wymiarami przypomina wtyk Micro-B (8,4 × 2,6 mm). Jej znakiem rozpoznawczym są zaokrąglone rogi oraz pusty środek. Odróżnia ją to od wtyczki USB Micro-B, która ma ścięte rogi. Wymiary są tutaj ważnym aspektem z punktu widzenia projektantów urządzeń, gdyż mniejsze i cieńsze gniazda ułatwiają projektowanie płaskich obudów.
Wygodę użytkowania wtyczki Type-C zapewnia przede wszystkim dowolność sposobu jej wkładania do gniazda. Pozwala to skrócić czas podłączania, na przykład urządzeń peryferyjnych do komputera. Dzięki temu powinna się również znacząco wydłużyć trwałość złączy. Zakłada się, że musi ono wytrzymać przynajmniej 10 tys. cykli łączenia.
Za główny składnik potencjału interfejsu USB Type-C i specyfikacji USB 3.1 uważa się jego uniwersalność. Cechę tę zapewniają dwie specyfikacje: Alternate Mode oraz Power Delivery (PD). Dzięki tej pierwszej przez port można przesyłać dane audio i wideo do transmisji których wcześniej wykorzystywano m.in. złącza DisplayPort, HDMI, Mobile High- Definition Link oraz Thunderbolt. W Power Delivery z kolei przewidziano pięć profili ładowania urządzeń. Umożliwią one pobór mocy w przedziale od 10 (5 V, 2A) aż do 100 W (20 V, 5 A).
Warto zauważyć, że wymienione poziomy zasilania są zapewnione przy równoczesnej transmisji danych. Poprzednie generacje USB zapewniały znacznie niższe wartości lub wymagały używania kabli i złączy jedynie do zasilania. Złącze Type-C jest takie samo po obu stronach przewodu, a wtyczka dodatkowo jest odwracalna, dlatego cały system zawiera funkcjonalność kanału konfiguracyjnego (Configuration Channel – CC), który odpowiada za wykrywanie funkcji dołączonego do hosta odbiornika i rozpoznawanie jego możliwości technicznych w zakresie komunikacji, napięć i prądów. Poza tym CC ustala, które pary przewodów będą realizować transmisję i jaką będą mieć polaryzację (D+ zamienia się z D- obróceniu wtyczek miejscami itd.). Takie rozwiązanie zapewnia dużą uniwersalność nowej wersji interfejsu, ale też wymagania jakie stoją przed projektantami elektroniki są wyraźnie większe. Zapewne z takich powodów firmy inwestujące w rozwój produktów dla USB-C utworzyły grupę USB Implementers Forum (USB IF), która dba o zgodność i poziom techniczny rozwiązań, a jej członkowie wymieniają się doświadczeniami. Do USB IF należą m.in. Richtek oraz ST Microelectronics.
Duża moc zasilania, jaką może dostarczyć port USB-C do odbiornika, nakłada wielkie wymagania techniczne co do jakości przewodów. To samo dotyczy szybkiego transferu, który może zostać osiągnięty wyłącznie, gdy przewód jest wysokiej jakości: ekranowany, symetryczny i o jednakowych parametrach na całej długości. Dlatego kable zdolne do dostarczania prądu o natężeniu powyżej 3 A lub szybkiej transmisji są znakowane poprzez umieszczenie we wnętrzu obudowy chipu (E-marker) informującego host o parametrach granicznych.

W tabeli 1 zebrano ważniejsze różnice pomiędzy USB Type C a poprzednimi wersjami tego interfejsu.




USB Type C vs poprzednie wersje

Tabela 1. USB Type C a poprzednie wersje tego interfejsu
Wtyczka
Połączenia
Transfer
Zasilanie

USB 1.x/2.0

1 = VBUS, 4 = GND
3 = Data+, 2 = Data-
USB 1.0 / 1.1
Mała prędkość 1,5 Mbps
Duża prędkość 12 Mbps
USB 2.0
Duża prędkość: 480 Mbp
5 V / 500 mA
BC1.2:
5 V / 1,5 A
(dla systemów ładowania)

USB 1.x / 2.0 Mini

1 = VBUS, 5 = GND
3 = Data+, 2 = Data-
4 = ID pin: host = GND, urządzenie = bez podłączenia

USB 1.x / 2.0 Micro

1 = VBUS, 5 = GND
3 = Data+, 2 = Data-
4 = ID pin: host = GND, urządzenie = bez podłączenia

USB 3.0


1 = VBUS, 5, 8 = GND
2 = Data-, 3 = Data+
4 = USB-OTG,
6 = Tx-, 7 = Tx+, 9 = Rx-, 10 = Rx+
USB 3.0
Super prędkość (Super speed):
5 Gbps
5 V / 900 mA

USB Type-C:
Mniejszy rozmiar fizyczny
Odwracalna wtyczka
Większe napięcie i prąd
Automatyczna konfiguracja
Najwyższy transfer
Gniazdo:

Wtyczka:

Data-, Data+ dla wstecznej kompatybilności
Dwie pary RX1/2 i TX1/2
CC1/2 do konfiguracji
VCONN (do zasilania chipa ID kabla)
SBU 1/2 do transmisji audio
USB 2.0
Duża prędkość: 480 Mbps
USB 3.0
Super prędkość: 5 Gbps
USB 3.1
Super prędkość+: 10 Gbps
Domyślnie 5 V / 1,5 A
5 V / 3 A maks.
USB PD:
Od 5 do 20 V, 5 A maks.
USB PD 3.0 z PPS
Od 3 do 20 V, 5 A maks.



Zasilanie i ładowanie urządzeń z USB Type-C

Patrząc na rys. 1 nietrudno zauważyć, że zapewnienie możliwości obracania wtyczki w gnieździe w wersji USB Type-C wymaga zapewnienia przełączenia linii sygnałowych. Te odpowiedzialne za niższą prędkość i zgodność ze starymi wersjami USB (Data+ i Data-) są umieszczone dokładnie pośrodku złącza i dodatkowo zostały one zdublowane i odwrócone w dolnym rzędzie gniazda. Dzięki temu zabiegowi, obojętnie jak zostanie włożony wtyk do gniazda, zawsze zapewni to poprawne ich połączenie. Z kolei linie TX i RX odpowiedzialne za komunikację z dużą prędkością nie mogą być tak połączone i dlatego istnieje dodatkowa linia sygnałowa CC pozwalająca na wykrycie orientacji kabla i odpowiednie przełączenie linii sygnałowych TX/RX w sterowniku, aby pasowały.

Podpis: Rys. 1. Rozkład pinów we wtyczce i gnieździe USB Type-C

Kolejna różnica między starym a nowym USB kryje się w symetrii kabla. Nowy standard wykorzystuje identyczną wtyczkę na obu końcach, przez co ustalenie, kto w transmisji jest hostem, a kto odbiornikiem (device) nie jest z góry narzucone i wymaga uzgodnienia za pomocą protokołu. Co więcej uzgodnienie te nie dotyczy tylko transmisji danych, ale także kierunku transmisji mocy zasilającej.
Dla transmisji danych host nazywany jest teraz terminem Downstream Facing Port (DFP) a urządzenie odbiorcze Upstream Facing Port (UFP). W przypadku transmisji mocy dostawca zasilania to źródło (Source) a obciążenie to Sink (odbiornik). W niektórych aplikacjach, gdy dany sprzęt może zasilać i także być zasilany mówimy o podwójnej funkcjonalności – Dual Role for Power (DRP). Jest ona przewidziana także do transmisji danych – Dual Role for Data (DRD). Ustalenie roli pełnionej przez dane urządzenie ustalane jest poprzez wymianę informacji między sterownikami po obu stronach za pomocą linii sterującej CC (Configuration Channel).
Dużą zmianą i różnicą pomiędzy USB-C i starszymi wersjami interfejsu są możliwości zasilania urządzeń. Pierwsze wersje USB dostarczały jedynie 2,5 W, najnowsze rozwiązanie jest w stanie dostarczyć od 15 W (5 V/3 A) do nawet 100 W (20 V/ 5 A). Otwiera to możliwość zasilania z USB znacznie bardziej złożonego sprzętu, jak monitory, a także szybkiego ładowania urządzeń mobilnych dużym prądem. USB-C pozwala też na programowanie parametrów napięcia zasilającego – funkcja Programmable Power Supply (PPS) – po to, aby poprzez dokładną regulację potencjału skompensować spadki napięcia na przewodach lub zapewnić oszczędność energii. W ten sposób można też zrealizować efektywne ładowanie akumulatora litowo-jonowego bez konieczności dodatkowej konwersji mocy, bo daje się obniżyć wartość napięcia zasilania VBUS do nawet 3 V.




Duża moc zasilania i szybki transfer wymagają odpowiednich kabli

Standardowe przewody wykorzystywane w USB-C są zdolne do przewodzenia prądu o wartości do 3 A. Większe wartości, a więc do 5 A, wymagają użycia specjalnego przewodu z wbudowanym chipem (E-mark). Zawiera on informacje na temat parametrów granicznych kabla i przesyła je na żądanie do sterownika poprzez linię CC. Działanie układu E-mark wymaga podania zasilania 5 V na końcówkę VCONN.
Najwyższa prędkość transmisji Super Speed+ 10 Gbps pozwala na przesyłanie sygnałów, do których do niedawna wymagany był specjalny interfejs taki jak HDMI/Display Port/ Thunderbolt. Aktualnie możliwe jest przesyłanie sygnału wideo 4K przez USB-C, a także transfer HDMI przez USB-C z wykorzystaniem specjalnego trybu pracy interfejsu o nazwie Alternate Mode. Polega on na nietypowym wykorzystaniu linii transmisyjnych.
Na rys. 2 pokazano typową aplikację USB-C w której interfejs ten jest wykorzystany do zasilania i ładowania urządzenia mobilnego. Adapter USB PD dostarcza regulowanego napięcia o wartości 5/9/15 lub 20 V i prądzie maksymalnym do 3 A. Wartość napięcia jest ustalana na podstawie żądania przesyłanego od zasilanego urządzenia.

Podpis: Rys. 2. Ładowarka urządzenia mobilnego z wykorzystaniem USB-C

Podpis: Rys. 3. Zaawansowane rozwiązanie ładowania z regulacją napięcia PPS

Na rysunku 3 pokazano podobną aplikację ładowarki, ale bardziej zaawansowaną, wykorzystującą możliwość programowania napięcia wyjściowego USB-C jaką daje funkcja PPS – Programmable Power Supply. Pozwala ona na dokładne trymowanie wartości napięcia VBUS w szerokim zakresie otwierając tym samym możliwość bezpośredniego ładowania ogniw litowo-jonowych. W tym przypadku napięcie i prąd ładowania są kontrolowane programowo w ramach protokołu dostępnego w USB-C.

Podpis: Rys. 4. Typowa ładowarka samochodowa

Rysunek 4 przedstawia schemat blokowy ładowarki samochodowej, w której źródłem energii jest akumulator pojazdu. Jego napięcie jest obniżane za pomocą konwertera typu buck do wartości 5-9 V wymaganej przez sterownik zawarty w urządzeniu mobilnym (np. telefonie komórkowym). Jednocześnie telefon może tym samym przewodem wysyłać dane (np. strumień audio) do pokładowego systemu informacyjno-rozrywkowego.

Podpis: Rys. 5. Ładowarka samochodowa dużej mocy

Na rysunku 5 przedstawiono poglądowy schemat systemu ładowania za pomocą USB-C większych urządzeń jak na przykład laptop. W tym wypadku wymagana moc zasilania jest znacznie większa i sięga kilkudziesięciu watów a nawet 90 W. Z uwagi na to napięcie VBUS ma większą wartość i kontroler sterujący bazuje na konwerterze obniżająco-podwyższającym (buck-boost). Konkretna wartość jest ustawiana na żądanie kontrolera interfejsu zawartego w laptopie. Warto zauważyć, że w tym przypadku z uwagi na to, że maksymalna wartość prądu sięga 4,5 A wymagany jest specjalny kabel z chipem E-mark (RT1710).

Podpis: Rys. 6. Zasilacz do laptopa wbudowany w monitor

Kolejna przykładowa aplikacja to zasilacz dla laptopa w monitorze (rys. 6) oraz stacja dokująca do peceta zawierająca laptop, monitor oraz zewnętrzny dysk twardy (rys. 7). USB-C PD może być wykorzystany w tym celu jako źródło energii w taki sposób, że każdy z wymienionych odbiorników ma swój kontroler i osobny kabel. Warto zauważyć, że w tym przypadku tryb Alternate pozwala na wymianę danych między laptopem monitorem i pamięcią z wykorzystaniem tych samych kabli co do zasilania.

Podpis: Rys. 7. Stacja dokująca pozwalająca za pomocą USB podłączać różne urządzenia komputerowe zapewniając zarówno zasilanie jak i transmisję danych

Podpis: Rys. 8. Adapter USB-HDMI

Na koniec warto zauważyć, że wraz z nową wersją USB-C można w prosty sposób dołączać interfejsy innego typu. Na rys. 8 pokazano poglądowy schemat konwertera zamieniającego USB-C w HDMI. Napięcie VBUS wynosi w tym przypadku 5 V i układ elektroniczny konwertera jest zasilany z tego napięcia.




Konfiguracja transmisji danych i zasilania w USB Type-C

Podpis: Rys. 9. Proste połączenie przewodowe bez odwróconej wtyczki

Na rys. 9 zilustrowano połączenie USB za pomocą przewodu nieobróconego i bez odwróconej wtyczki. Od gniazda znajdującego się po lewej stronie do prawej linia RX1 łączy się z TX1 oraz RX2 z TX2. Tak samo D+ łączy się z D- z D- z D-, SBU1 z SBU2. Pin CC1 łączy się poprzez linię CC w kablu z CC1 po drugiej stronie.
USB 3.1 wykorzystuje do transmisji tylko dwie pary przewodów, stąd w tym przypadku szybka transmisja danych jest realizowana poprzez połączenie RX1± i TX1± z jednej strony na drugą.
Istotne jest też, że VCONN nie łączy obu stron. Napięcie to jest potrzebne do zasilania chipu E-mark i jest dostarczane przez urządzenie na jednym lub drugim końcu i to dopiero po ustaleniu, że kabel ma zamontowany ten chip.

Podpis: Rys. 10. Połączenie dla kabla z przeplotem i z nieobróconą wtyczką

Rysunek 10 pokazuje schemat połączenia USB z wykorzystaniem kabla obróconego (skręconego o 90º) i nieobróconej wtyczki. W tym przypadku, patrząc od lewej do prawej strony, RX1 łączy się z TX2 i RX2 z TX1. Linia D+ jest połączona z D+ i D- z D-, SBU1 z SBU1 i SBU2 z SBU2. Podobnie CC1 poprzez linię CC łączy się z CC2. Szybki transfer danych musi następować z RX1± i TX1± po stronie lewej do RX2± i TX2± po prawej. Oznacza to, że transceiver komunikacyjny zawarty w kontrolerze musi przełączyć się na inne pary. W sumie są 4 możliwości połączenia: z obróconą lub nieobróconą wtyczką oraz kabel z przeplotem lub bez. W systemach zgodnych z USB 3.1 linie danych RX/TX muszą więc mieć możliwość przepięcia w wewnętrznym multiplekserze po to, aby zapewnić poprawną komunikację. Na rys. 11 pokazane możliwe kierunki komunikacji w obrębie portów USB-C. Orientacja wtyczki i kabla jest wykrywana po każdej ze stron za pomocą pinów CC i CC1, a następnie kontroler logiczny linii CC (Channel Configuration) ustawia multipleksery wejściowe tak, aby linie komunikacyjne zapewniały właściwy przepływ danych bez względu na typ użytego kabla i położenie wtyczki.

Podpis: Rys. 11. Możliwe kierunki komunikacji w obrębie portów USB-C




Transmisja mocy zasilającej

Rysunek 12 ilustruje podstawowy układ zasilania z wykorzystaniem USB-C w najprostszym układzie, gdzie transmisja mocy odbywa się tylko w jednym kierunku od źródła (Source) do odbiornika (Sink).

Podpis: Rys. 12. Podstawowy układ zasilania z wykorzystaniem USB-C

Układ zasilania zawiera szeregowo włączony z szyną VBUS tranzystor MOSFET pracujący jako przełącznik załączający lub odcinający zasilanie. Z reguły współpracuje on z czujnikiem prądu w postaci szeregowego rezystora pomiarowego, po to, aby chronić szynę zasilającą VBUS przed zwarciem i przeciążeniem oraz w celu realizacji funkcji rozładowania potencjału. Obie części układu mają wejścia CC1 i CC2, które są połączone przez wtyczki i kabel zapewniając możliwość komunikacji w celu ustalenia poziomu wymaganej mocy, napięć i maksymalnych wartości prądu.
Na początku szyna VBUS nie jest zasilana, gdyż nie wiadomo jeszcze jaka jest konfiguracja układu i jakie będą wymagania odbiornika. Aby to ustalić na początku dostawca mocy zasilającej (Source) podciąga do zasilania linie CC po swojej stronie, a odbiornik (Sink) po drugiej stronie linie te podciąga do masy (rys. 13).

Podpis: Rys. 13. Metodę ustalania w ramach USB-C pełnioną przez poszczególne elementy składowe roli w systemie zasilania, orientacji kabla, a także maksymalnej wydajności prądowej

Na początku źródło energii podciąga linie CC1 i CC2 do zasilania przez rezystor Rp i następnie monitoruje ich stan. Gdy jest wysoki, oznacza to, że nic nie zostało jeszcze podłączone. Gdy odbiornik zostanie podłączony potencjał linii CC1 i CC2 się obniża, gdyż napięcie jest ściągane w stronę masy za pomocą rezystorów Rd w odbiorniku. Ponieważ w kabli jest tylko jedna linia CC w zależności od położenia wtyczki, albo jedna, albo druga linia obniża swój potencjał.
W drugiej kolejności odbiornik także sprawdza stan linii CC1 i CC2, aby sprawdzić, czy napięcie wzrosło. Stan taki oznacza, że do układu zostało podłączone źródło zasilania. Poziom napięcia, który ustali się na linii CC po podłączeniu informuje odbiornik, jak dużą mocą zasilania dysponuje źródło energii.
W praktycznych realizacjach rezystory podciągające są najczęściej zastępowane przez źródła prądowe, z uwagi na większą prostotę realizacji układowej w strukturze scalone oraz dlatego, że w ten sposób zmniejsza się wrażliwość takiego układu na wahania napięcia.
W standardzie zapisano, że Rd powinien mieć wartość 5,1 kΩ po stronie odbiornika. Dlatego napięcie na linii CC określają wartości Rp (lub wydajności źródła prądowego) w części Source. Przyjęto, że poziomy te będą trzy: najniższe napięcie na linii CC (około 0,41 V) oznacza domyślną wartość mocy USB (a więc 500 mA dla USB 2.0 lub 900 mA dla USB 3.0). Dla wyższej wartości (około 0,92 V) wydajność prądowa ustalona została na 1,5 A. Gdy natomiast napięcie przyjmie 1,68 V maksymalny prąd może sięgnąć 3 A (tabela 2).

Tabela 2. Wartości rezystorów Rp i Rd oraz wydajności źródła prądowego dla USB-C
Tryb pracy źródła energii
Wydajność źródła prądowego w źródle dla 1,7-5,5 V
Rezystor pull-up dla 4,75-5,5 V
Rezystor pull-up dla 3,3 V ±5%
Domyślna moc
80 µA ±20%
56 kΩ ±20%
36 kΩ ±20%
1,5 A @ 5 V
180 µA ±8%
22 kΩ ±5%
12 kΩ ±6%
3 A @ 5 V
330 µA ±8%
10 kΩ ±5%
4,7 kΩ ±5%

Na rysunku 14 pokazano oscylogram ilustrujący przebiegi napięć na liniach interfejsu w czasie podłączania źródła energii zasilającej do odbiornika za pomocą zwykłego kabla USB Type-C.

Podpis: Rys. 14. Moment podłączenia przewodu USB-C do gniazda

Początkowo linie CC1 i CC2 w źródle zasilania są podciągnięte do zasilania przez oporniki Rp a CC1 i CC2 po stronie odbiornika są podciągnięte do masy przez rezystancje Rd. Gdy przewód zostanie podłączony, to w zależności od jego orientacji napięcie na jednej z linii CC1 lub CC2 rośnie. W pokazanym przypadku przewód nie jest odwrócony, stąd CC1 w źródle łączy CC1 w odbiorniku i napięcie na niej zwiększa się w zależności od stosunku wartości Rp/Rd. Odbiornik dokonuje pomiaru tego napięcia i dzięki temu ustala, ile maksymalnie prądu jest w stanie pobrać ze źródła. W pokazanym przykładzie napięcie na linii CC1 wynosi 1,65 V, czyli oznacza to, że źródło jest w stanie dostarczyć 3 A.
Po zakończeniu tego procesu załączane jest napięcie 5 V na szynie VBUS. W uproszczonej wersji USB-C bez obsługi profilu mocy PD dzielnik Rp/Rd także ustala maksymalną wartość prądu, niemniej źródło jest w stanie dostarczyć tylko napięcia 5 V. W wersji z PD napięcie VBUS może zostać zwiększone z 5 V do nawet 20 V. To jaka ma być wartość jest ustalane pomiędzy źródłem a odbiornikiem za pomocą szeregowego protokołu BMC działającego po linii CC.
Poglądowy schemat systemu zasilającego w USB-C z obsługą Power Delivery pokazany został na rysunku 15.

Podpis: Rys. 15. Schemat systemu zasilającego w USB-C z obsługą profili mocy (PD)

Źródło w tym przypadku zawiera stabilizator napięcia sterowany za pomocą kontrolera. W zależności od wartości napięcia wejściowego oraz wymaganej wartości napięcia VBUS, stabilizator może być przetwornicą obniżającą (buck), podwyższającą (boost), podwyższająco-obniżającą (buck-boost) lub zaporową (flyback). Komunikację poprzez linię CC nadzoruje kontroler PD, tak samo załącza napięcie VCONN do linii CC na potrzeby układu E-mark.
Po tym jak komunikacja zostanie ustanowiona, urządzenia obsługujące funkcję PD rozpoczynają komunikację SOP przez aktywną linię CC w celu ustanowienia właściwego profilu zasilania. Odbiornik odpytuje źródło o dostępność poszczególnych profili (napięć szyny VBUS i prądów). Ponieważ zazwyczaj kontroler po stronie odbiornika energii jest fragmentem większej całości i systemu, z reguły to mikrokontroler sterujący działaniem odbiornika (np. ładowarki) komunikuje się za pomocą I2C z kontrolerem PD odbiornika, aby ustalić wymagania co do zasilania.
Na rysunku 16 pokazano obsługę żądania przez odbiornik PD ustawienia wyższej wartości napięcia VBUS.

Podpis: Rys. 16. Proces zwiększenia napięcia VBUS w systemie obsługującym PD

Komunikacja przez linię CC w tym przypadku jest następująca:
• Odbiornik wysyła do źródła żądanie udostępnienia dostępnej wydajności.
• Źródło wysyła informacje na temat dostępnej wydajności.
• Odbiornik wybiera z listy żądany profil zasilania i wysyła do źródła żądanie jego ustawienia.
• Źródło akceptuje żądanie i ustawia potencjał VBUS. W tym czasie odbiornik ogranicza do minimum obciążenie szyny VBUS, aby nie zaburzać zmiany stanu. Ustawienie napięcia odbywa się płynnie z zadaną szybkością zmian.
• Po ustawieniu wartości napięcia na szynie, źródło czeka chwilę aż potencjał VBUS się ustabilizuje, a następnie wysyła do odbiornika sygnał gotowości (Power Supply Ready). Od tego momentu odbiornik zwiększa obciążenie VBUS do ustalonej wartości.
Gdy zaistnieje potrzeba obniżenia potencjału szyby zasilającej, proces zmian jest realizowany w identyczny sposób, z tym, że źródło aktywuje układ rozładowania pojemności dołączonych do VBUS, aby przyspieszyć proces zmiany.
Taka metoda ustalania warunków zasilania daje pewność, że za każdym razem układ będzie działała stabilnie i w zakresie dostępnych możliwości. Gdy przewód USB zostanie odłączony napięcie szyny zasilającej jest odłączane, a każda następna operacja zaczyna się od najmniejszej dostępnej wartości (5 V). Zapobiega to ew. uszkodzeniom.
Komunikacja wykorzystuje kodowanie BMC (Bi-phase Mark Code). Jest to protokół wykorzystujący jedną linię do wymiany danych, gdzie logiczna 1 jest transmitowania za pomocą zbocza 1->0, a zero logiczne jako stała 1 lub 0. Każdy pakiet danych składa się z preambuły o sekwencji 0-1-0, początku pakietu SOP (Start Of Packet), nagłówka, bajtów danych komunikacyjnych, sumy kontrolnej CRC i EOP (End Of Packet) – rys. 17.

Podpis: Rys. 17. Schemat kodowania Bi-phase Mark Code

Rysunek 18 ilustruje proces wymiany informacji po wysłaniu żądania podniesienia napięcia VBUS. Powiększona sekcja to preambuła.

Podpis: Rys. 18. Komunikacja przy zwiększaniu napięcia VBUS

Dane BMC mogą zostać zdekodowane za pomocą specjalistycznego oprogramowania. Narzędzie takie jak na przykład Ellisys EX350 Analyzer pozwala na przechwycenie całej ramki i dalszą analizę poszczególnych parametrów i zależności czasowych (rys. 19).

Podpis: Rys. 19. Zdekodowane dane BMC




Profile zasilania w USB-C

Specyfikacja USB Type-C PD 3.0 definiuje następujące profile zasilania – Power Delivery (rys. 20).

Podpis: Rys. 20. Profile zasilania w USB-C

Napięcie szyny VBUS może być ustalone na jednym z 4 poziomów: 5, 9, 15 i 20 V. Dla trzech pierwszych wartości maksymalny prąd to 3 A. Dla 20 V maksymalny prąd dla zwykłego kabla to 3 A (60 W), ale dla kabla z wbudowanym chipem E-marker wartość ta rośnie do 5 A (100 W).




Kable z chipem E-marker

Standard USB-C pozwala na użycie różnego typu przewodów. Dla małych prędkości transmisji można wykorzystać te od USB 2.0. Nie ma specjalnych wymagań, poza tym, aby przekrój żył pozwalał na przewodzenie prądu do 3 A. Kable do szybkiej transmisji danych lub na większe obciążenia muszą mieć wbudowany we wtyczce chip identyfikacyjny. Taki przewód nazywany jest aktywnym i poza układem E-marker może też zawierać driver zapewniający dodatkowe kondycjonowanie sygnału. Na rys. 21 pokazano jak to rozwiązanie wygląda od strony układowej. Jak widać źródłem zasilania jest końcówka VCONN.

Podpis: Rys. 21. Podłączenie chipa E-marker

Kable z chipem mają wewnętrzne rezystory Ra 1 kΩ podciągające linie VCONN do masy, a więc o wartości mniejszej niż Rd (5,1 kΩ). Po włożeniu kabla aktywnego w gniazdo napięcie w obu liniach CC1 i CC2 się więc obniży, niemniej, ponieważ Rp≠Rd ten spadek nie będzie jednakowy dla każdej linii, co pozwala wykryć orientację przewodu. Jednocześnie podłączenie sygnalizuje kontrolerowi źródła, że wymagane jest podanie 5 V na VCONN niezbędne do zasilenia chipu E-marker.
Na rysunku 22 pokazano przebiegi napięć w sytuacji, gdy do źródła zasilania dołączany jest odbiornik za pomocą kabla aktywnego. Po załączeniu zasilania dla chipu E-marker następuje wymiana danych pomiędzy kontrolerem w źródle zasilania a E-marker, a następnie między źródłem a odbiornikiem (SOP).

Podpis: Rys. 22. Proces podłączania kabla z chipem E-mark




Odbiornik i źródło w jednym urządzeniu

Gdy urządzenie może pełnić rolę zarówno źródła energii jak i odbiornika taką funkcjonalność nazywa się Dual Role for Power (DRP). W tym przypadku zanim nastąpi połączenie takie urządzenia przełączają piny CC1 i CC2 ze stanu wysokiego do niskiego. Gdy są one po obu stronach, takie działanie następuje na obu końcach (rys. 23).

Podpis: Rys. 23. Proces ustalania ról zasilających w DRP

W przypadku pokazanym na rysunku lewy DRP pełni rolę źródła a prawy odbiornika. Ale może być odwrotnie i co więcej rola pełniona przez sprzęt może się zmienić już po podłączeniu. Każde z urządzeń typu DRP może zażądać w dowolnym momencie zamiany ról zasilających (Power Role Swap) – rys. 24.

Podpis: Rys. 24. Zamiana ról zasilających w ramach DRP




Przegląd rozwiązań firmy Richtek dla USB-C

W ofercie firmy Richtek można znaleźć komplet niezbędnych układów do realizacji komunikacji z wykorzystaniem interfejsu USB-C. Dostępne są także narzędzia rozwojowe: płytki ewaluacyjne i zestawy startowe ukierunkowane na różne typy aplikacji USB-C w obszarze zapewniania zasilania.
Interesującą pozycją jest sterownik przetwornicy zaporowej RT7786, który współpracuje z układem kontrolera USB Type-C PD RT7207. Pierwszy układ przetwarza napięcie sieciowe na stałe napięcie wyjściowe o wartości 5/9/15 lub 20 V (do 3 A). Jest ono następnie podawane na sterownik obsługujący tryb PD interfejsu USB-C (RT7207) i dalej za pomocą kabla podawane do urządzeń takich jak smartfon lub tablet. Kontroler RT7786 ma po stronie wtórnej prostownik synchroniczny zapewniający wysoką sprawność konwersji energii także dla małych napięć.
Ponieważ w obrębie USB nie ma z góry zdefiniowanego kierunku przepływu mocy, wymagane są specjalne rozwiązania o charakterze dwukierunkowym. Tablet lub laptop może być z USB zasilany i ładowany, ale też może być źródłem energii dla pendrive lub smartfona. Tego typu kontrolery zasilania określa się terminem Dual Role Power (DRP).
Przykłady kontrolerów obsługujących PD o takiej funkcjonalności to m.in. RT1715, gdzie w małej obudowie o wymiarach 1,38 x 1,38 mm zawarta jest cała logika niezbędna dla realizacji funkcji DRP. Z kolei RT1711P ma także wejścia VBUS current sense i VBUS discharge do realizacji zabezpieczenia przed przeciążeniem i uszkodzeniem przy przełączaniu przewodu oraz zawiera wbudowane obwody do sterowania stopniem wyjściowym przetwornicy DC/DC.
Ważnym obszarem aplikacyjnym dla USB-C za zastosowania w motoryzacji, w których sprzęt elektroniczny jest zasilany z instalacji 12 lub 24 V. Do takich zastosowań niezbędny jest konwerter podwyższająco-obniżający (buck-boost) dostarczający na wyjściu napięcia stabilizowanego 5-20 V dla szyny VBUS o odpowiednio dużej wydajności prądowej. Przykładem takiego rozwiązania jest RTQ7880 – układ klasy automotive realizujący funkcję PD dla USB-C i zdolny do dostarczenia 100 W mocy do obciążenia, a więc tej maksymalnej wartości specyfikowanej przez nowy standard. Zawiera on zintegrowany mikrokontroler ARM Cortex-M0, dzięki czemu zapewniono wysoką elastyczność aplikacyjną oraz możliwość dopasowania parametrów rozwiązania do specyfiki aplikacji, na przykład zaprogramowania funkcji kompensacji spadku napięcia na kablu połączeniowym, ustawienia poziomów zabezpieczeń. Ponadto układ udostępnia dla użytkownika linie GPIO i interfejs I2C master/slave.



Nowości firmy Richtek w zakresie rozwiązań USB-C

W ostatnich miesiącach Richtek wprowadził do oferty trzy nowe układy poszerzające jego ofertę produktów dla USB-C:
• RT1711P – to kontroler PD USB-C w obudowie WQFN-24L 3,5 x 3,5 mm zgodny ze specyfikacją USB PD 3.0 and TCP 1.0. Układ ma zintegrowany kompletny transceiver USB Type-C realizujący detekcję i rozpoznanie typu kabla i jego orientacji oraz ma zaimplementowany kompletny protokół USB BMC zapewniający poprawną negocjację zasilania z możliwością obsługi maksymalnej mocy 100 W.
• RT1716 – to programowalny poprzez interfejs I2C kontroler USB-C PD w obudowie WL-CSP-8B 1,38 x 1,34 mm. Obsługuje specyfikację PD 3.0 i DRP z wykrywaniem podłączenia/odłączenia kabla i obrócenia wtyczki.
• RT1730 – to programowalny kontroler USB-C w obudowie WL-CSP-8B 1,38 x 1,34 mm. Jest podobny w zakresie funkcji do RT1716, ale ma dodatkowe wejście VCONN niezbędne do zasilania chipa indentyfikacyjnego E-mark zintegrowanego z kablem.



Rozwiązania USB-C PD firmy Richtek

W ofercie firmy Richtek znaleźć można wiele układów scalonych przeznaczonych do realizacji sprzętowej interfejsu USB-C, dla każdego z omówionych wcześniej przypadków. Producent konstruktorom zapewnia także zestawy i narzędzia projektowe ułatwiające tworzenie ładowarek, kabli aktywnych i sprzętu zasilanego z USB (fot. 25). Są też gotowe do wykorzystania projekty układów z tego zakresu.

Podpis: Fot. 25. Zestawy ewaluacyjne dla USB-C

Bazą konstrukcyjną dla zasilanego z sieci zasilacza/ładowarki USB-C może być RT7786 – kontroler przetwornicy zaporowej – który razem z RT7207 – kontrolerem obsługującym PD – umieszczonym po stronie wtórnej pozwala na stworzenie rozwiązania, gdzie możliwa jest regulacja napięcia szyny VBUS od 3 do 20 V. Dodatkowo warto dodać, że RT7207 ma wbudowany sterownik synchronicznego prostownika, dzięki czemu sprawność konwersji mocy znacząco poprawia się, zwłaszcza dla małych napięć VBUS i dużych prądów.
RT1715 to mały (1,38 x 1,38 mm CSP) kontroler USB-C dla źródła, odbiornika lub obu tych funkcjonalności (DRP). Jest zgodny ze specyfikacją USB PD 3.0, wspiera tryb Alternate i nadaje się do wykorzystanie w złożonym sprzęcie jak tablet, smartfon lub twardy dysk zewnętrzny.
Z kolei RT1711P to funkcjonalny kontroler dla źródła, odbiornika lub obu z funkcji, pozwalający na sterowanie napięciem wyjściowym zewnętrznego konwertera DC, z opcją rozładowania potencjału i czujnikiem prądu w szynie VBUS. Nadaje się do pracy z praktycznie każdą aplikacją PD.
Z kolei RTQ7880 to układ przeznaczony do aplikacji motoryzacyjnych. Ma on wbudowany sterownik konwertera buck-boost, pracuje w szerokim zakresie napięć wejściowych dzięki czemu może być zintegrowany z dowolną instalacją samochodową i dostarcza na wyjściu VBUS zasilania od 5 V / 3 A do 20 V / 5 A. Poza funkcjami wymienionymi dla poprzedniego układu tutaj do dyspozycji jest jeszcze możliwość kompensacji spadku napięcia na przewodach. Odmianą o podobniej funkcjonalności jest RT7881, który ma wbudowany konwerter obniżający (buck) i nadaje się do aplikacji, gdzie napięcie VBUS jest niższe od wejściowego.
Na koniec trzeba wspomnieć o układzie E-marker RT1710. Wspiera komunikację SOP, ma wbudowaną pamięć MTP na dane VDM i interfejs I2C do programowania.




Przykładowe projekty adaptera obsługującego PD z RT7786 i RT7207

Klasyczne adaptery/ładowarki USB to z reguły konstrukcje bardzo proste o napięciu 5 V i niewielkiej mocy do ok. 10 W. Natomiast rozwiązania dla USB-C mają większą moc, regulowane napięcie wyjściowe i tym samym są to rozwiązania bardziej skomplikowane. Z uwagi na dużą moc wyjściową ważna kwestią staje się wysoka sprawność, niezbędna do tego, aby ładowarka się nie przegrzewała nawet, gdy zostanie umieszczona w małej obudowie.
RT7786 to sterownik przetwornicy zaporowej zoptymalizowany pod kątem zastosowania w ładowarce USB z obsługą PD. Układ pracuje w szerokim zakresie napięć wejściowych, ma układ adaptacyjnej regulacji wzmocnienia pętli sprzężenia zwrotnego zapewniający wysoką stabilność, zabezpieczenia nadprądowe i nadnapięciowe, sterownik zewnętrznego tranzystora MOSFET o dużej mocy i niski pobór mocy w stanie gotowości – poniżej 30 mW. Aplikację ułatwia też niski poziom generowanych zaburzeń EMI. Przetwornica pracuje zarówno w trybie DCM (nieciągłości prądu w dławiku) i CCM (z ciągłością prądu w dławiku). Ten drugi tryb zapewnia wyższą sprawność konwersji mocy przy dużym obciążeniu.
Po stronie wtórnej układ RT7207 odpowiada za regulację napięcia wyjściowego i sterowanie za pomocą izolatora kontrolerem przetwornicy. Zawiera on także mikrokontroler realizujący obsługę protokołu PD, w tym realizację transceivera BMC. Wbudowana pompa ładunku zapewnia poprawne wysterowanie tranzystora MOSFET załączającego napięcie VBUS nawet dla małych napięć wyjściowych (poniżej 4,5 V). Dzięki temu możliwa jest realizacja funkcji PPS (Programmable Power Supply) dla napięcia od 3 V wymaganego do bezpośredniego ładowania ogniw bez konieczności użycia dodatkowego konwertera.
Warto dodać, że RT7207 ma pamięć OTP pozwalającą na programowanie wielu parametrów, takich jak próg zabezpieczenia nadprądowego, moment zadziałania zabezpieczenia termicznego lub wartości kompensacyjnych dla kabla. Układ może być też wykorzystywany w aplikacjach ładowarek typu BC1.2 DCP, które wykorzystują piny D+ i D- do ustalania napięcia i prądu wyjściowego. Na rysunku 26 pokazano schemat aplikacyjny adaptera sieciowego z parą układów RT7786 i RT7207.

Podpis: Rys. 26. Adapter sieciowy USB-C obsługujący profile PD

Przy okazji warto zwrócić uwagę na jeden drobiazg. W złączu USB-C piny CC1 i CC2 są tuż obok VBUS (rys. 27). Z uwagi na małe wymiary złącza i raster wyprowadzeń istnieje ryzyko, że podczas podłączania kabla może nastąpić chwilowe zwarcie między VBUS i CC w efekcie, którego na pinach CC może pojawić się napięcie do 20 V. Stąd kontrolery Richteka mają konstrukcję tolerującą napięcie do 22 V na liniach CC, aby nie doszło nigdy do uszkodzenia w takiej sytuacji.

Podpis: Rys. 27. Piny VBUS i CC są w złączu USB-C obok siebie

Na fot. 28 pokazano zestaw projektowy oparty na RT7786 i RT7207D. Jest to 60-watowy zasilacz USB PD dostarczający napięć 5, 9, 15 i 20 V i o maksymalnym 3 A prądzie wyjściowym.

Fot. 28. Zestaw projektowy z RT7786 i RT7207D

Jego wymiary wynoszą tylko 53 x 50 x 23 mm, a sprawność sięga 93% przy 60 W mocy wyjściowej. Pobór mocy bez obciążenia to tylko 50 mW. Konstrukcja przeszła testy zgodności USB IF, DOE-6, CoC Tier-2.




USB Type C w ładowarkach samochodowych

W zakresie prostych rozwiązań ładowarek samochodowych bez funkcjonalności Power Delivery większość realizacji sprowadza się do zwykłej ładowarki 5 V / 3A z wtyczką Type-C i wykorzystania przetwornicy DC-DC typu buck. Takie rozwiązanie oparte na układzie Richtek RTQ2115C pokazane jest na rysunku 29.
RTQ2115C to kontroler spełniający wymagania sektora motoryzacyjnego o maksymalnej wydajności prądowej 3,5 A i akceptujący napięcie wejściowe od 3 do 36 V. Obsługuje linie CC do wykrycia załączenia odbiornika i ustalenia maksymalnego prądu (odczyt wartości rezystorów podciągających), ma czujnik prądu w szynie VBUS. Jest też funkcja kontroli napięcia VCONN, wykrywania polaryzacji kabla a nawet obsługa trybów BC1.2 SDP/CDP/DCP i specjalnego trybu 1,2 V.

Podpis: Rys. 29. Ładowarka samochodowa bez obsługi PD

Konstrukcja ładowarki samochodowej z obsługą PD zależy od zakresu napięć wejściowych jakie dostępne są w instalacji pojazdu oraz żądanych wartości napięcia VBUS. Gdy odbiornik wymaga tylko 5 lub 9 V a zasilanie jest z akumulatora 12 V można zastosować kontroler z wbudowanym konwerterem obniżającym, taki jak RT7881 (rys. 30 i fot. 31).

Podpis: Rys. 30 Zaawansowana ładowarka samochodowa z obsługą PD

Podpis: Fot. 31. Praktyczna realizacja układu ładowarki z rys. 30

RT7881 ma zintegrowany mikrokontroler ARM Cortex M0, który odpowiada za proces komunikacji i sterowania konwerterem obniżającym napięcie. Obwody zabezpieczeń kontrolera: nadnapięciowe, nadprądowe i zwarciowe dla VBUS są realizowane sprzętowo, aby zapewnić dużą szybkość reakcji układu na takie zdarzenia. Napięcie wyjściowe może być trymowane w krokach co 12 mV dla kompensacji spadków napięcia na kablu oraz dla realizacji funkcji PPS (Programmable Power Supply). Na fot. 31 pokazano przykładową realizację ładowarki.
W ładowarce USB-C z obsługą PD pracująca w pełnym zakresie napięć wyjściowych (5-20 V) konwerter DC-DC musi być obniżająco-podwyższający (buck-boost). Do takich aplikacji Richtek proponuje RTQ7880 – rys. 32.

Podpis: Rys. 32. Ładowarka samochodowa pracująca w pełnym zakresie napięć wyjściowych

Układ pracuje on w topologii pełnego mostka. Dla pracy obniżającej napięcie przełączają tranzystory QA i QB a QC i QD są nieużywane (odcięte). W trybie podwyższania napięcia jest odwrotnie. Przełączenie się między trybem podwyższania a obniżania napięcia odbywa się bez zakłóceń (płynnie). Analogicznie jak w poprzednim kontrolerze ten też ma wbudowany mikrokontroler ARM Cortex M0 do obsługi funkcji cyfrowych i nadzoru nad pracą przetwornicy. Pozwala też na programowanie parametrów takich jak częstotliwość kluczowania, progi zabezpieczeń, wybór modulacji dla stopnia mocy (PWM/PSM), trymowanie napięcia wyjściowego w krokach co 12 mV itd. Układ ma wbudowaną pompę ładunku podwyższającą napięcie zasilające driver i pozwalającą na użycie tanich tranzystorów z UGS(TH) 3-4 V. Linie CC1 i CC2 tolerują napięcie 20 V, co czyni konstrukcję niewrażliwą na zwarcia pinów w gnieździe. Układ też obsługuje wyjście VCONN dla kabli z chipem.
RTQ7880 może być wykorzystywany jako jednostka samodzielna lub sterowana przez host.
Na fot. 33 pokazano zdjęcie płytki ewaluacyjnej zasilacza o mocy 60 W (20 V/3 A).
Do programowania układu i zapisu danych konfiguracyjnych kontrolera Richtek udostępnia interfejs i oprogramowanie. Pozwala ono także na odczyt napięcia VBUS, statusów i danych kontrolnych z rejestrów.

Podpis: Fot. 33. Płytka ewaluacyjna zasilacza o mocy 60 W




Kontrolery systemów obsługujących PD typu DRP

Poprzednie wersje USB wykorzystywały funkcjonalność USB On-The-Go (OTG), aby port ten mógł zarówno być źródłem energii oraz odbiornikiem. W USB-C kontrolery z funkcją Dual Role Power (DRP) pozwalają na skonfigurowanie portu jako źródło lub odbiornik. Zmiana roli wymaga z reguły też przełączenia wartości napięcia VBUS. Do takich aplikacji Richtek przygotował cztery układy (tabela 3).

Tabela 3. Kontrolery z funkcją Dual Role Power
Układ
Wersja PD
Moc maks.
Funkcja wyczerpanej baterii
Zabezpieczenie 20 V linii CC
Power Path Control
Obsługa VCONN
Obudowa
RT1711H
USB-PD2.0
100 W
Tak
Tak
Nie
Nie
CSP-9B 1,38 x 1,34
RT1716
USB-PD3.0
100 W
Tak
Tak
Nie
Nie
CSP-9B 1,38 x 1,34
RT1715

USB-PD3.0

100 W

Tak

Tak

Nie

Tak

CSP-9B 1,38 x 1,34

RT1711P

USB-PD3.0

100 W

Tak

Tak

Tak

Tak

QFN-24L 3,5 x 3,5

Wszystkie wymienione typy zawierają transceiver komunikacyjny interfejsu Type-C i mają zintegrowane oporniki Rp i Rd. W tym przypadku aplikacja układowa wymaga zawsze współpracy i komunikacji z kontrolerem/mikroprocesorem zarządzającym systemem embedded, który nadzoruje pracę całości. Wymiana danych następuje za pomocą szyny I2C. Na rys. 34 pokazano schemat blokowy takiego rozwiązania w dwóch wersjach.

Podpis: Rys. 34. Dwie realizacje systemów obsługujących PD typu DRP

Po lewej stronie pokazano aplikację typu DRP z wykorzystaniem kontrolera USB Type-C PD. W tym przypadku kontroler systemu embedded odpowiada za proces detekcji orientacji portu i kabla oraz komunikację. On też steruje tranzystorami MOSFET i stabilizatorem napięcia tak, aby zapewnić funkcjonalność odbiornika lub źródła energii. W tym przypadku można wykorzystać kontrolery takie jak RT1711H, RT1715 lub RT1716.
Prawy rysunek prezentuje analogiczna aplikację, w której za całą funkcjonalność odpowiada kontroler USB-C PD. Zewnętrzny mikroprocesor odczytuje rejestry przez szynę I2C i podejmuje decyzje na temat roli zasilania pełnionej przez urządzenie, niemniej następuje to poprzez wysłanie komend do kontrolera, bez konieczności kontroli całości procesu. W tym przypadku obwody zabezpieczeń też działają natychmiast i bez konieczności obsługi ze strony mikroprocesora. W takim rozwiązaniu można użyć kontrolera RT1711P.
Ponieważ wiele aplikacji typu DRP jest zasilanych z akumulatora, ich system mikroprocesorowy powinien mieć możliwość uruchomienia nawet w przypadku, gdy akumulator jest kompletnie rozładowany. Z tych przyczyn wymienione w tabeli 3 kontrolery mają zaimplementowaną funkcję „dead battery”. Działa ona w taki sposób, że kontroler USB-C aktywuje rezystory Rp przy podłączonym napięciu do VBUS, dzięki czemu źródło jest w stanie wykryć podciągnięcie ich do masy na linii CC i załączyć napięcie na VBUS. W ten sposób mikrokontroler w odbiorniku może zostać uruchomiony i dalej przejąć nadzór nad ładowaniem. Może też pracować w trybie bez akumulatora.
Na rysunku 35 pokazana została typowa aplikacja USB-C DRP dla smartfona z wykorzystaniem kontrolera RT1715. Odpowiada on za detekcję stanu linii CC, komunikację oraz obsługę VCONN dla kabli z chipem E-mark. Sterowanie sygnałem VBUS jest w tym przypadku realizowane przez mikroprocesor zawarty w embedded host a za ładowanie akumulatora odpowiada RT9466. Procesor odczytuje rejestry z kontrolera RT1715, decyduje o roli zasilania, a także ustawia tryb wykorzystania akumulatora w trybie ładowania (dla roli odbiornika) lub jako OTG dla roli źródła.

Podpis: Rys. 35. Aplikacja USB-C DRP dla smartfona z wykorzystaniem kontrolera RT1715

Aby uprościć proces aplikacji, Richtek przygotował płytki ewaluacyjne dla układów RT1711H, RT1715 i RT1716. Na fot. 36 pokazano zestaw z RT1715, który zawiera mikrokontroler sterujący, stabilizatory napięcia i przełączniki pozwalające tworzyć różne warianty sprzętowe. Dodatkowe oprogramowanie komunikuje się z mikrokontrolerem i odczytuje poprzez rejestry RT1715 status portu, ustawia rolę zasilania i profile.

Podpis: Fot. 36. Zestaw inżynierski z kontrolerem RT1715 oraz oprogramowanie

RT1711P to funkcjonalny kontroler USB-C pozwalający na realizację źródła, odbiornika lub na ustawienie roli w ramach DRP – tę sytuację pokazano na rys. 37. Rozwiązanie to wykorzystuje zewnętrzną ładowarkę z kontrolą jej napięcia wyjściowego. Jest też zabezpieczenie nadprądowe i nadnapięciowe dla VBUS, a także układ rozładowania potencjału szyny po odłączeniu kabla. Kontroler obsługuje specyfikację USB PD 3.0, realizuje zasilanie przez VCONN dla E-marker, wspiera tryb Alternate Mode i tym samym może być wykorzystany w praktycznie każdej aplikacji USB-C z Power Delivery jak smartfon, zewnętrzny dysk twardy, monitor laptop lub ładowarka samochodowa.

Podpis: Rys. 37. Ładowarka z kontrolą jej napięcia wyjściowego z układem RT1711P

Do kontrolera RT1711P również przygotowana została płytka ewaluacyjna zawierająca sterownik bazujący na mikrokontrolerze, stabilizatory napięcia i przełączniki pozwalające na realizację zasilacza USB-C z PD dla zakresu od 5 V/3 A po 20 V/3 A. W tym przypadku także dostępne jest oprogramowanie do ustawiania profili, roli zasilania i odczytu rejestrów (fot. 38).

Podpis: Fot. 38. Zestaw ewaluacyjny dla kontrolera RT1711P




Chip identyfikacyjny dla kabli aktywnych

Standard USB-C pozwala na transmisję danych z bardzo dużą prędkością zdefiniowaną przez Super Speed lub też na transmisję dużej mocy zasilającej (pow. 3 A). W obu tych przypadkach wymagane są specjalne kable. Aby zagwarantować ich jakość i zapobiec ewentualnym uszkodzeniom urządzeń wynikającym z zastosowania niewłaściwego przewodu a także dla zapobieżenia fałszerstwom, kable takie mają wbudowany we wtyczce chip identyfikacyjny (E-marker). Jest on zasilany napięciem VCONN ze źródła i komunikuje się poprzez linię CC. E-marker zawiera rezystor Ra 1 kΩ podciągający linię VCONN do masy dzięki czemu źródło jest w stanie ustalić, że kabel ma wbudowany chip i podać mu zasilanie. Po podłączeniu kabla następuje komunikacja z wykorzystaniem protokołu BMC pomiędzy źródłem i chipem E-marker takim jak RT1710. Ma on dwa zdublowane wejścia VCON z diodami zabezpieczającymi i rezystorami Rd dzięki czemu może być zasilany z każdej strony kabla – rys. 39.

Podpis: Rys. 39. Chip E-marker w kablu USB-C

Większość przewodów tego typu zawiera jeden chip identyfikacyjny, niemniej niektórzy producenci aplikują dwa, po jednym z każdej strony dzięki czemu mogą zaoszczędzić jedną żyłę kabla – rys. 40. W danej chwili aktywny jest tylko jeden chip, ten dołączony do źródła.

Podpis: Rys. 40. Dwa chipy E-marker w kablu USB-C pozwalają na ograniczenie liczby wymaganych żył o jedną

RT1710 zawiera pamięć nieulotną w której przechowywane są dane VDM na temat parametrów przewodu, dane producenta i oznaczenia. Pamięć ta może zostać zapisana za pomocą programatorów (rys. 41).

Podpis: Fot. 41. Programatory chipów E-marker

Do produkcji przewodów aktywnych i ich testowania można wykorzystać zestaw testowy RT1710 wraz z dedykowanym oprogramowaniem. Kit zawiera programator z wyświetlaczem LCD i jest sterowany z peceta przez port USB – fot. 42.

Podpis: Fot. 42. Zestaw ewaluacyjny do chipów E-marker RT1710