Hinweise beim Design von USB-PD-kompatiblen Geräten

USB Power Delivery (USB PD) ist ein Standard, der die Stromversorgung mit hoher Leistung ermöglicht und weit verbreitet bei Geräten eingesetzt wird, die Schnellladung oder hohe Stromzufuhr erfordern. Ab 2024 werden aufgrund der USB-C-Pflicht in Europa und der Weiterentwicklung der Unterstützung von USB PD 3.1 (EPR) die Anforderungen an das Design weiter verschärft. In diesem Artikel werden die neuesten Punkte erläutert, die beim Design von USB PD-Geräten zu beachten sind.

[1.Verständnis der USB PD-Spezifikation und des Protokolls]

USB PD wird von der USB-IF definiert und seine Funktionen werden mit jeder Version erweitert. Besonders wichtig sind folgende Punkte:

Maximale Spannung und Stromstärke

USB PD 3.1 (EPR) unterstützt bis zu 240 W (48 V, 5 A).

AVS (Adjustable Voltage Supply) / PPS

Durch kontinuierlich variable Spannungsversorgung sind effizienteres Laden und geringere Wärmeentwicklung möglich. Besonders bei Geräten mit eingebautem Akku ist sie unerlässlich.

Protokoll-Handshake

Eine zuverlässige Implementierung der PD-Kommunikation ist erforderlich, einschließlich der korrekten Handhabung von EPR-Verhandlungen (EPR_Mode, KeepAlive, Exit usw.).

[2.Leistungsmanagement und thermisches Design]

Um Wärmeentwicklung und Effizienzverluste bei hoher Leistung zu minimieren, ist eine optimierte Leistungsplanung entscheidend.

• Auswahl der Stromversorgungs-ICs: Hocheffiziente DC-DC-Wandler und PD-Controller-ICs verwenden. GaN (Galliumnitrid)-Bauteile werden zunehmend zum Standard. Maßnahmen zur Wärmeableitung: Neben Kühlkörpern und Thermalpads ist auch das thermische Design der Leiterplatte wichtig.
• Optimierung der Kondensatoren: Für Hochfrequenz-Ripple sind MLCCs effektiv, für niederfrequente Schwankungen und Geräusche leitfähige Polymer-Kondensatoren.
• Strombegrenzungsschaltungen: Schutz vor Überstrom und Gewährleistung der Sicherheit bei Fehlfunktionen.

[3.Implementierung der PD-Kommunikation]

USB PD kommuniziert über die CC (Configuration Channel)-Leitungen. Für die Zuverlässigkeit sind folgende Punkte zu beachten:

• Auswahl des PD-Controllers: Je nach Anwendung eigenständige oder integrierte MCU-Typen verwenden.
• Entwicklung geeigneter Firmware: Softwareimplementierung gemäß aktuellem Standard (PD 3.1 / EPR).
• Sicherstellung der Signalqualität: Optimierung der CC-Leitungsführung, Rauschunterdrückung und Unterstützung der EPR-Signalanforderungen.

[4.Auswahl des Anschlusses]

Auswahl des Anschlusses:Mit steigender Leistung steigen auch die Anforderungen an USB Type-C-Anschlüsse und Kabel.

• Anschlüsse für hohe Ströme: Auswahl hochwertiger Type-C-Stecker für 48 V und 5 A.
• Überprüfung der Haltbarkeit: Mechanische Zuverlässigkeitsbewertung unter Berücksichtigung häufiger Steckvorgänge.
• Unterstützung von E-Marker-Kabeln: Konstruktion, die E-Marker-Kabel für die Stromversorgung mit 5 A (bis zu 240 W) korrekt erkennen kann.

[5.Sicherheit und Konformität mit Sicherheitsstandards]

Zuverlässigkeit bei USB PD-Geräten erfordert robuste Schutzschaltungen und ein Design gemäß gängiger Zertifizierungsrichtlinien.

• Überstrom- und Überspannungsschutz: Abschaltmechanismen mit FETs oder Sicherungen bei Störungen.
• Temperaturüberwachung: Hitzeüberwachung durch Thermistoren oder Temperatursensoren.
• Surge-/Softstart-Funktion: Schutz gegen Spannungsspitzen und Schäden an Anschlüssen bei hohen EPR-Spannungen.
• Kommunikationsprotokoll: Die eingebaute Protokoll- und Steuerungsfunktion sorgt dafür, dass das Ladegerät mit dem Gerät kommuniziert und danach kontrollierte Ausgangsleistung liefert.
• Stromversorgungsstandards: Das Design basiert vollständig auf strengen Spezifikationen hinsichtlich Geräteanforderungen, Umgebungstemperatur und maximaler Betriebsleistung über lange Zeiträume.

[6.Anpassung an Stromquellen und empfohlene Maßnahmen für Entwickler]

Die Kompatibilität mit Stromquellen beeinflusst die Stabilität und Zuverlässigkeit eines Geräts.

• Unterstützung mehrerer Spannungsprofile: Zusätzlich zu 5 V / 9 V / 15 V / 20 V auch 28 V / 36 V / 48 V bei EPR berücksichtigen.
• Unterstützung von PPS/AVS: Feine Spannungsregulierung ermöglicht effizientes Laden und reduziert Hitze.
• Fallback-Funktion: Bei Kommunikationsfehlern automatische Umschaltung auf USB 2.0 / BC-Modus oder PD3.0 , 2.0.
• Validierung an realen Geräten: Kompatibilität durch Tests mit verschiedenen handelsüblichen PD-Adaptern prüfen.
• Erkennung von E-Marker: Konstruktion zur korrekten Erkennung von benötigten Kabeln und Vermeidung von Überleistung.

[7.Wichtige Punkte bei der Auswahl empfohlener Netzadapter]

Bei der Empfehlung von Netzadaptern für ein Produkt sollten folgende Punkte überprüft werden:

• Übereinstimmung der Ausgangsprofile: Unterstützt der Adapter die vom Gerät benötigte Spannung und Stromstärke?
• Unterstützung für PPS/AVS: Wenn das Gerät darauf ausgelegt ist, muss auch der Adapter es unterstützen.
• Markterprobung: Auswahl eines Adapters mit nachgewiesener Kompatibilität.
• Schutzfunktionen: Auswahl hochwertiger Produkte mit Überspannungs-, Überstrom- und Kurzschlussschutz.

[8.Zusammenfassung]

Beim Design von USB PD-kompatiblen Geräten sind Konformität mit den neuesten Standards (PD 3.1/EPR, AVS), Einsatz von GaN-Bauelementen, geeignete Kondensatoren und Unterstützung für E-Marker-Kabel sowie die Einhaltung europäischer Vorschriften erforderlich. Designkonzepte, die diese Aspekte berücksichtigen, ermöglichen stabilen Betrieb und hohe Kompatibilität, was zur höheren Kundenzufriedenheit und Wettbewerbsfähigkeit beiträgt.

Um qualitativ hochwertige USB PD-Produkte anzubieten, ist ein designtechnischer Ansatz erforderlich, der aktuelle Standards und strenge Prüfungen unter realen Einsatzbedingungen berücksichtigt. Nicht nur Konformität, Standardisierung und technisches Know-how, sondern auch praktische Validierung sind von entscheidender Bedeutung.