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Wissenswertes über die USB-C Buck-Boost-Batterieladung : Ausgabe 06/2016, 07.04.2016

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.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

In Applikationen mit geringem Strombedarf, wie Smartphones und Tablets, werden Elektronikgeräte in der Regel durch einen USB-A/B-Port 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 Intersil-Applikationsschrift «Understanding USB-C Buck-Boost Battery Charging» beschreibt die herkömmliche PC-Powerarchitektur und erläutert, wie die Adaption der USB-C-Power-versorgung mit dem USB-C-Kabelsteckverbinder die Powerarchitektur verändert.

Die heutige typische Computer-Power-architektur 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 Lithium-Ionen-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.

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 Ausgang-zu-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 USB-C-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



Blockschaltbild des ISL9237