USB-C в зарядке литий-ионных аккумуляторов


Разъем USB Type-C можно встраивать в литий-ионные аккумуляторные батареи несколькими способами. Главное что надо учитывать при разработке, – это выбор компонентов и хорошее понимание того, как работает данный интерфейс.

Напомним, что разъем USB тип C был введен в стандартную спецификацию USB в 2014 году, практически одновременно с версией стандарта USB 3.1. Этот коннектор позволяет добиться более высокой скорости передачи данных, чем в предыдущих решениях – до 20 Гбит / с со стандартной версией 3.2. Он также позволяет подавать питание в соответствии со стандартом USB PD (Power Delivery), передавая мощность до 100 Вт, напряжения до 20 В и ток до 5 А.

Еще одна особенность этого типа разъема, которая является неоспоримым преимуществом по сравнению с предыдущими поколениями, – его симметрия. Разъем USB Type-C имеет симметричную форму и может быть вставлен в гнездо в любой из двух ориентаций, не влияя на работу схемы. Это устраняет проблему, которая раздражает каждого пользователя современных мобильных устройств.

Намерение создателей спецификации USB PD состояло в том, чтобы разработать универсальное решение, которое могло бы стать стандартом для питания мобильных устройств, таких как ноутбуки, планшеты или смартфоны. Размеры разъема USB-C лишь немного больше, чем у разъема USB micro. Высота составляет 2,4 мм (1,8 мм для микро), а ширина – 8,25 мм (6,25 мм для микро).

USB-C в зарядке литий-ионных аккумуляторов

Для создателей схем питания для мобильных устройств интересным решением может стать прямая интеграция разъема USB Type-C с литий-ионными аккумуляторными блоками. Готовых решений такого типа на рынке пока мало, в предложение большинства ведущих производителей входят только модули, предназначенные для реализации такой функциональности.

Далее будет описано 2 способа интеграции разъема USB Type-C, который поддерживает стандарт USB Power Delivery, с литий-ионным аккумулятором. Предполагается что пакет уже оснащен системой управления батареями (BMS), которая обеспечивает поддержку основных функций, таких как зарядка, защита и измерение накопленного заряда.

USB-C в зарядке литий-ионных аккумуляторов
Пример реализации интерфейса USB-C PD с использованием драйвера, линий управления и резисторной лестницы

Основными компонентами схемы выступают модуль USB-C PD и регулятор напряжения.

Модуль драйвера USB-C PD подключается непосредственно к разъему USB, управляя всеми процедурами, связанными с реализацией стандарта USB PD, включая обнаружение подключенных устройств, согласование уровней напряжения питания и мониторинг потребления энергии. Схема чаще всего оснащена коммуникационным интерфейсом I2C, используемым для связи с микроконтроллером, другим элементом управления схемой или напрямую с системой регулирования напряжения, или с линиями управления – количество и тип этих линий может меняться в зависимости от модели.

USB-C в зарядке литий-ионных аккумуляторов
Пример реализации интерфейса USB-C PD с использованием I2C для связи между контроллером и схемой регулирования напряжения

Схема регулировки напряжения преобразует источник питания до уровня, необходимого для шины USB (в случае питания шины от аккумуляторов) или литий-ионных элементов (в случае зарядки аккумуляторов от шины). Уровень этого напряжения предварительно согласовывается драйвером USB-C PD. Допустимые значения напряжения в стандарте USB PD – 5, 9, 15 и 20 В – схема регулировки напряжения должна уметь работать с такими параметрами. Топология стабилизатора зависит от номинального напряжения аккумуляторной батареи – это может быть понижающий, повышающий или понижающе-повышающий преобразователь.

Допустимая выходная мощность схемы должна быть не менее 100 Вт, так как это значение было принято как максимальное в спецификации стандарта USB PD. Способ связи между драйвером USB-C PD и регулятором напряжения зависит от технических характеристик конкретных моделей схемы. Некоторые продукты могут обмениваться данными через интерфейс I2C, другие потребуют реализации специальных решений, например, с использованием линий управления или микроконтроллера. В устройствах, которые позволяют заряжать и разряжать аккумуляторы через интерфейс USB, необходимо выбрать драйвер USB, поддерживающий функцию двунаправленного протекания тока через шину. Также необходимо разработать механизм регулирования параметров процессов обслуживания литий-ионных аккумуляторов.

Схемы драйверов USB-C PD

Доступные на рынке модели контроллеров USB-C PD отличаются друг от друга, в том числе, способом связи со схемой регулятора напряжения. Обычно это реализуется с помощью цифровых линий управления или интерфейса I2C.

Полезное:  Разъемы для LED освещения: осветительные коннекторы

В случае решений, использующих линии управления, требуемый уровень выходного напряжения на шине USB сигнализируется комбинацией состояний выбранных выходов контроллера. В справочниках есть примерные значения состояний и соответствующих уровней напряжения для контроллера, использующего три линии управления.

USB-C в зарядке литий-ионных аккумуляторов
Разъем USB типа C – гнездо

Количество линий управления зависит от модели контроллера и должно быть их не менее двух. Для этого необходимо разработать метод преобразования состояния линий контроля в вид, понятный для схемы регулятора напряжения. Поэтому необходимо разместить в схеме дополнительную систему управления регулятором напряжения в зависимости от состояния линии. Здесь чаще всего используют резисторную лестницу, значение выходного сопротивления которой изменяется в зависимости от состояния линий управления. Это сопротивление, помещенное в цепь обратной связи регулятора напряжения, контролирует значение его выходного напряжения. Пример показан на рисунке. Преимущество такого подхода – широкий выбор доступных микросхем – в принципе, его можно реализовать, используя любую модель стабилизатора напряжения, и простота тестирования и отладки.

Основные недостатки – увеличенное количество компонентов и больше места на печатной плате.

Некоторые модели контроллеров USB-C PD оснащены интерфейсом I2C, через который они могут связываться с адаптированным для этого регулятором напряжения. Это упрощает конструкцию печатной платы, не требует установки дополнительных компонентов, а также экономит место.

Недостаток – это небольшой выбор доступных моделей регуляторов напряжения – он должен быть совместим с используемой моделью драйвера, что на практике часто ограничивает выбор одним семейством продуктов. К тому же сложно протестировать работу схемы и выявить возможные ошибки.

Зарядка аккумулятора через USB-C PD

Чтобы иметь возможность правильно заряжать литий-ионный аккумулятор через интерфейс USB-C, схема регулирования напряжения, размещенная в цепи, должна быть адаптирована для поддержки этого типа батареи, управляя процессом зарядки в соответствии с режимом CC / CV (постоянный ток / постоянное напряжение).

USB-C в зарядке литий-ионных аккумуляторов
Схема разъема USB типа C (штеккер)

Метод CC / CV контролирует как зарядный ток, так и напряжение на клеммах аккумулятора. В первой фазе зарядки, когда элементы глубоко разряжены и при напряжении ниже определенного номинального значения, зарядка производится постоянным током (время зарядки зависит от значения силы тока). После достижения определенного значения напряжения на выводах аккумулятора зарядный ток уменьшается, и задача схемы управления – поддерживать постоянное значение напряжения. Превышение максимально допустимого напряжения аккумулятора очень опасно – это может привести к его повреждению и возгоранию.

Разряд аккумулятора через USB-C PD

При использовании литий-ионных аккумуляторов в качестве источника энергии передаваемой через USB-C в стандарте Power Delivery, особое внимание следует уделять поддержанию рабочих параметров аккумулятора ниже максимальных пределов. Риск выхода за пределы диапазона в основном связан с чрезмерным током, потребляемым от элементов при работе на максимальной мощности разрешенной стандартом, то есть 100 Вт. Номинальное напряжение батареи обычно колеблется в диапазоне 3,5-4,3 В, поэтому чтобы обеспечить 100 Вт ток, потребляемый от аккумуляторов, должен составлять примерно 25-30 А.

USB-C в зарядке литий-ионных аккумуляторов
Структура разъема USB типа C (штекер).

Детали используемые в схеме должны быть адаптированы для работы с такими серьёзными токами, это необходимо учитывать и при разработке печатных плат. Обратите внимание на симметрию, которая позволяет подключать вилку в любой ориентации.

Выводы по материалу

Интеграция USB Type-C с литий-ионным аккумулятором может проводиться разными способами. И здесь показан один из самых популярных и простых в реализации, использующий готовую микросхему драйвера USB-C PD. На рынке представлены различные моделей данного вида продукции, различающиеся способом связи со схемой регулирования напряжения. Но правильная реализация этого решения требует тщательного выбора компонентов и конструкции печатной платы с учетом высокого значения тока заряда и разряда.


НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ