Układy do interfejsów zasilania USB-C – STUSB47xx

Ponieważ standard USB PD 2.0 dopuszcza różne napięcia na liniach Vbus, to trzeba je jakoś kontrolować. Układ sterujący musi mieć możliwość pomiaru napięcia podawanego na Vbus i jeżeli nie jest takie jak powinno być, to nie powinno się pojawić na linii Vbus złącza USB-C. Pomiar wykonuje blok Voltage Sense się poprzez linię Vbus_Sense. Po wykryciu prawidłowego połączenia typu źródło – obciążenie i prawidłowego napięcia , która ma być podane na na Vbus układ uaktywnia wyjście sterujące VBYS_EN_SRC podające napięcie Vbus na magistralę USB. Takie postępowanie pozwala wykryć wszelkie nieprawidłowości typu zbyt wysokie lub zbyt niskie napięcie. W razie wykrycia nieprawidłowości STUSB4710 reaguje w sposób następujący: uniemożliwia połączenie pomiędzy źródłem zasilania i wyprowadzeniem Vbus, oraz dezaktywuje połączenie ścieżki zasilania Vbus. Do warstwy protokołu wysyłane są odpowiednie komunikaty o błędach.

Napięcie na wyjściu Vbus jest ustawiane przez cztery wyjścia SEL_PDO (SEL_PDO1…SEL_PDO5). Każda zmiana na wyjściach SEL_PDO powoduje automatyczną zmianę napięcia podawanego na linię Vbus. W czasie zmian stanów na wyjściach SEL_PDO monitorowanie napięcia Vbus jest blokowane na domyślny czas 280msek. Jeżeli przełączamy napięcie z wyższego na niższe, to jest aktywowany układ rozładowania (discharge path) również na czas 280 ms. Układ rozładowania jest połączony z linią pomiaru napięcia VBUS_SENSE. Zapobiega to błędnemu pomiarowi napięcia na Vbus spowodowanemu przez naładowane pojemności w układzie pomiarowym. Układ rozładowania jest również uruchamiany po wystąpieniu błędu recovery state error. Mechanizm rozładowywania jest domyślnie włączony. Można go wyłączyć programowo poprzez zapisanie odpowiedniego rejestru układu STUSB4700. Programowo można również zmienić czas działania rozładowania.

Jednym z najważniejszych ustawień jest wartość napięcia VBUS i wartość graniczna prądu pobieranego ze źródła napięcia. O napięciu wyjściowym i wydajności prądowej decyduje ustawienie nazywane PDO zapisane w rejestrach układu . Układ ma możliwość zaprogramowania 5 PDO, z czego pierwszy jest ustawiany tuż po ustanowieniu połączenia z odbiornikiem (obciążeniem). Pozostałe ustawienia są używane w wyniku programowej negocjacji ze sterownikiem obciążenia.

Na rysunku 5 pokazano fragment schematu aplikacji STUSB47xx z układem kontroli napięcia wyjściowego. Linie portów SEL_PDO powiązane z ustawieniami PDO dołączają rezystory do dzielnika ustawiającego napięcie wyjściowe regulatora ST1S14PHR. Sposób wyliczenia wartości rezystorów dzielnika został zamieszczony w dokumentacji układu.

Rys. 5. Ustawianie napięcia wyjściowego źródła napięcia Vbus

Producent układów STUSB – firma STMicroelectronics – przygotowała moduł ewaluacyjny z układem STUSB4710 (fotografia 6). Pracuje on jako źródło napięcia Vbus USB PD 2.0 dla portu USB-C i może być użyty do demonstracji działania właściwości STUSB4710. Mimo niewielkich rozmiarów układ modułu jest dość rozbudowany i zawiera wszystkie niezbędne elementy do rozpoczęcia testów ze standardem USB-C:

  • Złącze USB-C (pracujące jako źródło napięcia)
  • Układ STUSB4710 wspierający USB-C r1.2 i USB PD r2.0
  • Wbudowaną programowaną przetwornicę DC-DC 20V/3A
  • Układ włączania napięcia VBUS
  • Układ rozładowania (discharge path)
  • Wsparcie VCONN (programowane do 600mA)
  • Wsparcie dla max 5 Power Data Objects (PDO), czyli kombinacji napięcia wyjściowego i wydajności prądowej źródła.
  • Prekonfigurowane PDO
  • Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe
  • Kompatybilność z modułem P_NUCLEO_USB002 mogącym negocjować z STSUSB4710 parametry zasilania

 

Fot. 6. Moduł ewaluacyjny STEVAL-ISC003V1 z układem STUSB4710

 

Schemat funkcjonalny prezentowanego zestawu pokazano na rysunku 7.

Rys. 7. Schemat funkcjonalny modułu

Układ ustawiania parametrów zasilania bazuje na układzie przetwornicy DC-DC – ST1S14. Rezystory ustalające napięcie na linii VSRC są włączane w układ sprzężenia zwrotnego przez wyjścia SEL_PDO2…SELPDO5. Fragment układu ustalającego napięcie wyjściowe VSRC pokazano na rysunku 8. Każda z linii steruje driverem zbudowanym z dwu tranzystorów lub może być bezpośrednio połączona z rezystorami poprzez zwory SB11….SB21 (domyślnie rozwarte).

Rys. 8. Fragment układu ustalający napięcie wyjściowe VSRC

Napięcie VSRC jest dołączane do linii VBUS przez klucz tranzystorowy zbudowany z 2 tranzystorów T41A i T41B i sterowany z wyjścia VBUS_EN_SRC. Układ rozładowywania z tranzystorem T35 jest  sterowany z wyjścia VBUS_EN_SNK (VBUS_DISCH). Napięcie VBUS jest podawane bezpośrednio na wejście VBUS_SENSE układu. Zostało to pokazane na rysunku 9.

Rys. 9. Układy sterowania i pomiaru napięcia VBUS

Do złącza USB-C układu zasilania doprowadzone jest: napięcie VBUS, masa układu zasilania GND. Raz sygnał z linii CC1 i CC2 – rysunek 10.

Rys. 10. Podłączenie napięć i sygnałów CC do złącza USB-C pracującego jako źródło zasilania

Tomasz Jabłoński

 

O autorze

Absolwent Wydziału Elektroniki Politechniki Wrocławskiej, współpracownik miesięcznika Elektronika Praktyczna, autor książek o mikrokontrolerach Microchip i wyświetlaczach graficznych, wydanych nakładem Wydawnictwa BTC.
Zawodowo zajmuje się projektowaniem zaawansowanych systemów mikroprocesorowych.