До появления USB Type-C производители ноутбуков и мобильных телефонов использовали свои, фирменные решения для зарядного источника питания. Это приводило к тому, что адаптер ноутбука одной фирмы не подходил к другому, несмотря на вроде одинаковые параметры напряжения и тока (а значит дома скапливался целый склад различных адаптеров). Но ситуация наконец стала меняться в лучшую сторону.

Шансы на общий штекер появились только после введения разъема USB Type-C через USBIF. У него настолько хороший функционал, что производители постепенно уходят от обычных решений в пользу USB-C. Этот порт позволяет заряжать до 100 Вт, а штекер можно включить в гнездо как угодно. Протокол согласования USB-C Power Delivery (PD) позволяет одному зарядному устройству поддерживать несколько устройств, таких как телефоны, планшеты и ноутбуки. А главное – в ближайшее время электроинструменты также будут заряжаться от USB-C!

Итак, PAG1 — это комплексное решение импульсного источника питания с контроллером USB PD, предназначенное для создания надежных, эффективных и экономичных блоков питания, составляющих основу зарядного устройства USB-C.

PAG1 — это двухчиповое решение с первичным контроллером (PAG1P) и вторичным контроллером (PAG1S). Он включает в себя драйвер синхронного выпрямителя, контроллер USB PD, стабилизатор выдерживающий напряжение до 30 В, драйвер затвора выпрямителя на полевых транзисторах, схему защиты от перенапряжения (OVP), перегрузки по току (OCP) и защиты от короткого замыкания (SCP), схемы защиты от случайного подключения линии VBUS к каналу связи (СС). PAG1 работает по схеме обратного хода (обратноходовый преобразователь), с регулированием напряжения на вторичной стороне, которая для достижения высокого КПД работает с переменной частотой коммутации.

Зарядка аккумулятора по USB-C

Сотовые телефоны, планшеты и ноутбуки обычно используют литий-ионные батареи. В телефонах и планшетах таких ячеек обычно 1-2, а в ноутбуках 3-4. Существует несколько способов зарядки:

• постоянный зарядный ток (CC),
• постоянное напряжение (CV) с заполнением (насыщением).

Как показано на рисунке, первым этапом зарядки одного элемента является подача постоянного тока (0,5–1 С) до тех пор, пока напряжение батареи не достигнет 4,2 В. Затем следует второй этап зарядки, называемый насыщением, при котором напряжение поддерживается постоянным 4,2 В, при этом зарядный ток падает менее чем до 10% от начального.

Далее показан пример типичного зарядного устройства. Микроконтроллер управляет источником тока-напряжения в зависимости от количества поддерживаемых ячеек и контролирует состояние батареи, защищая ее от перегрузок, таких как перенапряжение, перегрузка по току, перегрев и так далее. Зарядное устройство питается от VBUS в USB-C или БП и обеспечивает необходимый ток. Очевидно, что преобразование является источником потерь мощности и вызывает нагрев цепей.

Согласно спецификации USB Power Delivery, порт USB Type-C является источником питания, когда он работает в режиме источника, а когда он его получает, он находится в режиме приемника. Спецификация позволяет подавать до 100 Вт при различных уровнях напряжения VBUS: 5, 9, 12, 15 и 20 В. Способ согласования условий питания следующий:

• при подключении источник питания (в данном примере блок питания USB-PD) выдает 5 В на VBUS,
  затем блок питания определяет, подключен ли к нему кабель USB Type-C с идентификационным чипом и связывается с ним, проверяя какой максимальный ток можно передать с ним,
• после завершения идентификации кабеля источник питания объявляет о своих возможностях приемнику, используя 32-битные PDO (объекты подачи питания) как часть сообщения «Source_Capabilities». Каждый PDO описывает способность источника подавать определенный ток для данного напряжения. Источник может иметь более одного PDO, объявленного в его возможностях Source_ (доступно несколько пар ток-напряжение),
• подключенное устройство анализирует полученное сообщение Source_Capabilities и отвечает сообщением с запросом (настройками). Это 32-битный объект (RDO), содержащий такие поля, как «позиция объекта», «рабочий ток» и «максимальный рабочий ток». Поле «позиция объекта» относится к объекту PDO, объявленному в Source_Capabilities. «Рабочий ток» указывает величину тока, необходимого для работы нагрузки в любой момент времени, а «Максимальный рабочий ток» указывает самый высокий требуемый ток.
• затем источник проверяет сообщение запроса с помощью Accept. Если получено недопустимое сообщение запроса, он отправляет сообщение «Отклонить».
• источник изменяет свое выходное напряжение, а затем отправляет сообщение PS_RDY.

В любое время приемник может повторно согласовать условия мощности, отправив сообщение с запросом на увеличение или уменьшение максимального напряжения или тока. При установке новых условий приемник должен уменьшить мощность до pSnkStdby (2,5 Вт) и должен ждать в этом состоянии, пока источник отправит сообщения Accept и PS_RDY.

USB 3.0 PD с программируемым питанием

Спецификация USB PD 3.0 обеспечивает еще большую гибкость. В этом случае источник питания PPS может устанавливать напряжение от 3,3 В до 21 В. Эти возможности раскрываются в сообщении Augmented Power Delivery Object (APDO). APDO информирует о минимальном и максимальном уровне напряжения и тока.

Кроме того, установленное значение может быть изменено программно каждые 20 мВ. Блок питания также поддерживает постоянные PDO для обратной совместимости. Вот как согласовываются условия питания между источником и приемником:

• блок питания отправляет сообщение о своих возможностях, то есть Source_Capabilities. Он может содержать как старую версию PDO, так и новый формат APDO.
• получатель отвечает сообщением запроса. Сообщение запроса приемника PPS представляет собой 32-битный программируемый объект данных запроса (RDO), где он указывает желаемое напряжение VBUS и максимальный ток.
• источник подтверждает с помощью Accept и отправляет PS_RDY, когда напряжение установлено.
• получатель должен периодически отправлять сообщение запроса источнику, чтобы указать присутствие. Через 10 секунд без такого сигнала источник отключит питание и условия должны быть согласованы заново.

В отличие от PD 2.0, нет необходимости снижать энергопотребление до уровня ожидания на время согласования напряжения и тока VBUS.

При работе в режиме постоянного напряжения (CV) источник стабилизирует потенциал VBUS в зависимости от тока нагрузки, пока он находится в пределах согласованного диапазона. Когда ток превышает заданный максимум, ИБП переключается в режим постоянного тока (CC). При работе в режиме CC источник поддерживает постоянный ток, снижая напряжение VBUS в ответ на повышение до 3,3 В. При дальнейшем увеличении тока блок питания отключается.

Стандарты совместимости PDO и APDO

Чтобы обеспечить совместимость между различными производителями, спецификация USB Power Delivery заставляет PPS быть совместимым с PDO и APDO на основе критериев оценки Power Delivery Power (PDP). Это означает, что адаптер питания PDP USB-C мощностью 36 Вт будет поддерживать PDO (5–3 А, 9–3 А и 15–2,4 А) и APDO: 9 В (от 3,3 до 11 В при 3 А) и 15 В (от 3,3 до 16 В при 2,4 А). А). Спецификация мощности обеспечивает полную совместимость. Старый источник питания PDO будет работать с новыми приемниками, а новый APDO — со старыми приемниками PDO.

Таким образом зарядные устройства USB-C на основе блока питания, поддерживающего APDO, более гибкие, поскольку они позволяют приемникам устанавливать напряжение и ток VBUS на значение, идеально подходящее для эффективной зарядки аккумулятора. Например входящее в комплект зарядное устройство Samsung Note10+ поддерживает два APDO (3,3–5,9 В при 3 А и 3,3–11 В при 2,75 А), а также поддерживает постоянные PDO для работы с другим оборудованием.

Программируемые зарядные устройства USB-C

Infineon предлагает два контроллера, идеально подходящих для реализации зарядных устройств с блоками питания PPS: CCG3PA и PAG1P + PAG1S. CCG3PA поддерживает USB Power Delivery 3-го поколения и представляет собой встроенный драйвер, подходящий для зарядных устройств USB-C и блоков питания. Чип имеет встроенный 32-разрядный процессор Arm Cortex-M0, 64 КБ флэш-памяти, 8 КБ ОЗУ, приемопередатчик USB Type-C, 2 преобразователя АЦП, 2 программируемых интерфейса связи, 4 таймера, встроенную схему обратной связи для регулировка напряжения VBUS и других аппаратных блоков, необходимых для реализации режимов CC и CV. PAG1, с другой стороны, представляет собой комплексное решение со встроенным контроллером USB Power Delivery (PD).

PAG1 состоит из двух микросхем: контроллера первичной стороны (PAG1P) и контроллера вторичной стороны (PAG1S). PAG1P реализует топологию преобразователя остановки с вторичным управлением, а PAG1S обеспечивает регулирование напряжения и тока, а также поддержку контуров обратной связи. PAG1P также поддерживает фильтрацию.

PAG1S также имеет встроенный драйвер синхронного выпрямителя, USB-контроллер PD, стабилизатор, драйверы затвора выпрямителя FET и реализует схемы защиты OVP, SCP и OCP. Также имеется 32-разрядный микроконтроллер Arm Cortex-M0, 32 КБ Flash-памяти, трансивер USB Type-C, 2 преобразователя АЦП и аппаратные блоки для реализации режимов CC и CV.

Таким образом в недалёком будущем можно ожидать появления действительно универсальных блоков питания (адаптеров), способных запитывать (и заряжать) широкий спектр гаджетов, и даже маломощных электроинструментов.