Elektronische Geräte über USB-C laden

F o k us
USB-C
www.polyscope.ch
Wissenswertes über die USB-C Buck-Boost-Batterieladung
Elektronische Geräte über USB-C laden
Seit einem Jahr gibt es den «all in one» USB-C-Port, der simultan Daten und Power liefert. Weil nunmehr
die kommenden Computergeräte mit ihren neuesten Intel Core-Prozessoren den USB-C Port aufweisen,
ist es an der Zeit, diese Porttechnologie wesentlich genauer zu betrachten.
» Henning Wriedt, USA-Korrespondent
In Applikationen mit geringem Strombedarf,
wie Smartphones und Tablets, werden Elektronikgeräte in der Regel durch einen USB-A/BPort geladen. Dieser liefert 5 V mit maximal
2 A. Diese Ladeleistung ist für die Geräte mit
einigen 10 W an Leistungsbedarf, die mit einem externen Netzadapter versorgt werden,
nicht ausreichend. Der Autor der IntersilApplikationsschrift «Understanding USB-C
Buck-Boost Battery Charging» beschreibt die
herkömmliche PC-Powerarchitektur und erläutert, wie die Adaption der USB-C-Powerversorgung mit dem USB-C-Kabelsteckverbinder die Powerarchitektur verändert.
Die heutige typische Computer-Powerarchitektur hat einen Netzadapter, der Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt
und das primäre Elektronikgerät mit 20 V
versorgt. Im Falle eines Ultrabooks kann es
sich dabei um unterschiedliche Batteriezellen
(eine bis vier Zellen) handeln. Jede LithiumIonen-Batteriezelle hat eine Betriebsspannung
zwischen 2,5 und 4,3 V. Damit bietet das Ultrabook einen Batteriespannungsbereich von 2,5
bis 17,2 V. Mit einem 20-VDC-Adapter nutzt
der Batterielader eine Buck-Topologie, um die
20 V für die Batterieladung herunterzusetzen.
Für die 5 V des USB-Ports verwendet man eine
ähnliche Buck-Topologie wie bei der internen
Batterie. Mit nur einer Zelle kommt aber dann
die Boosttechnologie zum Tragen.
usB-C liefert jedem Gerät die richtige
Portspannung
USB-C verändert die Art und Weise, wie wir
unsere Elektronikgeräte laden. Es handelt sich
dabei um ein Standard-Interface, das Alles
mit Allem verbindet. Zusätzlich zum Datentransfer unterstützt USB-C auch den bidirektionalen Leistungsfluss mit weitaus höheren
Pegeln.
Blockschaltbild
des ISL9237
Intersil
16
Mit einer voreingestellten Spannung von
5 V ist der USB-C-Port in der Lage, mit dem
angeschlossenen Gerät gewissermassen zu
vereinbaren, welche Portspannung die optimale ist, sei es 12 V, 20 V oder aber auch ein
anderer Wert. Man einigt sich auch über den
Strompegel. Die maximale Leistung des neuen
Ports beträgt 20 V bei 5 A, also 100 W. Damit
lässt sich ohne Weiteres ein Computer laden,
auch deswegen, weil die meisten 15"-Geräte
mit 60 W auskommen.
Buck-Boost-Topologie mit Hilfe von
schalt-FETs, Induktivität und BFET
Eine Herausforderung für den Schaltungsdesigner ist die Verwendung einer Adapterspannung von 5 bis 20 V für die Ladung einer
Batterie mit 2,5 bis 17,2 V, denn es gibt weder
eine Eingang-zu-Ausgang-Beziehung, die die
Bucktopologie erfordert, noch eine Ausgangzu-Eingang-Beziehung, die eine Boosttopologie verlangt. Eine Buck-Boosttopologie wird
beiden Betriebszuständen gerecht.
Diese Flexibilität kommt einem besseren
Schaltungsdesign entgegen, klein, aber mit
hoher Gesamteffizienz in Form des USBC-Buck-Boost-Ladungs-ICs ISL9237. Dieser
Schaltungskreis besteht aus vier Schalt-FETs,
einer Induktivität sowie einem BFET (Batterieanschluss-FET). Die Schalt-FETs sind in einem
Vorwärts-Buck- und einem Vorwärts-Boostweg gruppiert. Die Schaltung kann auch im
Umkehr-Buckmodus arbeiten und über den
USB-Port Leistung für externe Geräte liefern.
Der ISL9237 bietet zahlreiche Funktionen
und ist zudem ein SMBus-Lader, der mit einem SMBus-Host kommunizieren kann. Der
Schaltkreis entspricht den USB-3.1-Spezifikationen sowie den neuesten Anforderungen
gemäss Intel IMVP8 PROCHOT# und PSYS
hinsichtlich des Schutzes gegenüber einem
Batteriespannungsabfall, einem Adapter- und
Batterieüberstrom sowie Überhitzung.
«
Applikationsbericht und Datenblatt
ISL9237: 06_16.09.pdf
Polyscope 6/16