Power-Tipp USB-C und USB Power Delivery in batteriebetriebenen Systemen

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Mit dem höheren Spannungsbereich etabliert sich USB-C als der universelle Steckverbinder der Zukunft. Obwohl USB-C für den Entwickler einige Herausforderungen birgt, lässt sich die Schaltungsentwicklung sowohl aus der Software- als auch aus der Hardware-Perspektive vereinfachen.

USB-C bietet die Möglichkeit, ein und dieselbe Schnittstelle für Datenübertragung und Stromversorgung zu nutzen. Mit dem Standard USB Power Delivery (PD) werden die Möglichkeiten des USB-C-Steckverbinders noch weiter ausgebaut. Zunächst erlaubte USB PD 3.0 die bidirektionale Übertragung bis zu 100 W (20 V, 5 A). Dies wird heute als Standard Power Range (SPR) bezeichnet. In der aktuellen Spezifikation USB PD 3.1 sind mit Extended Power Range (EPR) bis zu 240 W möglich, nämlich 28 V, 36 V oder 48 V bei 5 A.

Neben der auf festgelegten Spannungen basierenden Anhebung im EPR-Modus muss die Stromversorgung auch die Spezifikationen für eine einstellbare Spannungsversorgung (Adjustable Voltage Supply, AVS) einhalten. Hier kann die Senke die Spannung in 100-mV-Schritten zwischen 15 und 48 V variieren. Außerdem bietet AVS der Senke die Flexibilität, Spannungen von beliebigen Ladegeräten entgegenzunehmen, sodass keine speziellen Netzteile mehr benötigt werden.

Bild 1 bietet eine Übersicht über die PPS- (Programmable Power Supply) und AVS-Bereiche im SPR- und EPR-Modus. Sowohl PPS als auch AVS bieten programmierbare Schrittweiten, aber ihre Verwendungszwecke sind unterschiedlich. AVS liefert dem System eine konstante Gleichspannung, um den Wirkungsgrad zu verbessern. PPS dagegen besitzt eine kleinere Schrittweite von 20 mV und kann einen Akku ohne den Umweg über ein Ladegerät direkt laden. Anders als bei AVS ändert sich bei PPS die zugehörige Spannung fortlaufend, da die Ladespannung mit zunehmender Aufladung des Akkus angehoben werden muss.

Portable batteriebetriebene Produkte wie etwa Bluetooth-Lautsprecher oder Elektrowerkzeuge profitieren von USB-C, da der USB-C-Anschluss nicht nur zum Laden des jeweiligen Produkts, sondern auch zur Versorgung eines weiteren Geräts genutzt werden kann. Produkte, die ein Ladegerät verwenden, lassen sich hierfür nun mit einem USB-C- oder USB-PD-Controller kombinieren, um den USB-C-Port als Quelle oder Senke nutzen zu können.

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Um das Design des USB-PD-Ports für batteriebetriebene Produkte zu vereinfachen, bieten USB-PD-Controller eine I²C-Hostunterstützung zur direkten Steuerung des Ladegeräts. Dies ermöglicht eine Zwei-Chip-Lösung ohne externen Mikrocontroller, denn der USB-PD-Controller aktualisiert per I²C-Schnittstelle automatisch die Ladeparameter des Ladegeräts entsprechend der über den USB-PD-Port bestimmten zugehörigen Leistung.

Es muss hier keine Firmware entwickelt werden, um ein batteriebetriebenes Gerät mit einem USB-PD-Port auszustatten. Für diese Anwendung geeignet sind beispielsweise die USB-PD-Controller TPS25751 und TPS26750. Während es sich beim TPS25751 um einen SPR-PD-Controller handelt, unterstützt der EPR-PD-Controller TPS26750 die volle EPR-Leistung von 240 W.

E-Bikes: Referenzdesign für eine Ladelösung

Auf der Basis von Referenzdesigns können eigene Applikationen entwickelt werden. Im Referenzdesign „240W USB Type-C PD3.1 EPR Battery Charger Reference Design“ wird der TPS26750 mit dem bidirektionalen Buck/Boost-Ladecontroller BQ25756 kombiniert (Bild 2).

Bei diesem Referenzdesign handelt es sich um eine integrierte USB-PD- und Ladelösung für Akkus mit 7 bis 14 Zellen, wie sie beispielsweise in Elektrowerkzeugen, Staubsaugern, portablen Power-Stationen oder E-Bikes zum Einsatz kommen. Die Kommunikation zwischen TPS26750 und BQ25756 erfolgt per I²C-Schnittstelle, sodass keine Firmware benötigt wird. Mithilfe eines Tools zur kundenspezifischen Anpassung von Anwendungen für USB-C PD-Controller lässt sich der TPS26750 einfach programmieren.

Das Design unterstützt das Laden von Akkus mit einer Leistung bis zu 240 W aus einer Eingangsquelle, die konform zu USB PD 3.1 ist und im On-the-go-Modus maximal 48 V und 5 A liefert. Der BQ25756 kann dabei situationsabhängig zwischen den Betriebsarten Buck, Buck-Boost und Boost wechseln. Der hohe Integrationsgrad und das einfache Design reduzieren die Kosten und den Platzbedarf, und auch die Markteinführungszeit verkürzt sich. (kr)

Mit Material von Texas Instruments.

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