Molemmin päin liitäntäänsä istuva C-tyypin USB-liitin yksinkertaistaa tietokoneiden ja ulkoisten laitteiden tapaa siirtää dataa ja virtaa molempiin suuntiin. USB-C-ekosysteemi on käynnistämässä aikakautta, jossa jokainen laite tarvitsee vain yhden pienen kaapelin.
|
Artikkelin kirjoittaja Jia Wei toimii markkinoinnin ja sovellussuunnittelun johtajana Intersil Corporationin mobiilitehotuotteiden ryhmässä. Wein alaisuudessa on 30 suunnittelijan tiimi. Wei on julkaissut yli 20 artikkelia ja hänellä on seitsemän patenttia Yhdysvalloissa. Hänellä on tohtorintutkinto Virginian yliopistosta ja elektroniikka-insinöörin tutkinto Virginian polyteknisen instituutin tehoelektroniikkajärjestelmien keskuksesta. |
Kun Apple julkisti uuden MacBookinsa huhtikuun 10. päivä vuonna 2015 se käynnisti uuden aikakauden tietojenkäsittelylaitteiden tehonkäsittelyssä. Laitteessa oli C-tyypin USB-liitäntä, joka on ensimmäinen todellinen yhden liitännän ratkaisu sekä kaksisuuntaiseen datan- että tehonsyöttöön. Tämä tekniikka poisti laitteesta MacBookin MagSafe-latausliitännän integroimalla lataamisen USB-C-väylään.
Kuudennen polven Intel Core -prosessorien myötä uuden polven ultrakannettavat, tabletit, 2-in-1-hybridiläppärit ja erilaiset ulkoiset laitteet olivat valmiita hyppäämään USB-C-latauksen vankkurien kyytiin. Tekniikan käyttöönotto merkitsee kuitenkin perustavanlaatuisia muutoksia olemassaoleviin tehonsyöttöarkkitehtuureihin ja tuo uusia haasteita järjestelmäsuunnittelijoille.
Tässä artikkelissa tarkastellaan perinteistä PC-tehoarkkitehtuuria ja kuvaillaan, miten se muuttuu C-tyypin USB-liitäntää käyttävän USB-C-tehonsyötön käyttöönoton myötä. Katsomme erilaisia akunlatauksen lähestymistapoja ja selitämme, miten USB-C:ssä buck-boost-tyyppinen topologia voi tuoda suunnittelijoiden vaatiman joustavuuden, korkean hyötysuhteen ja pienikokoiset laiteratkaisut.
Tietokoneiden tehonsyöttö tänään
Alhaisen tehon laitteissa käytetään laajasti lataamista USB-A/B-väylien kautta. Älypuhelimissa ja tableteissa perinteistä A- tai B-tyypin USB-väylää pitkin saadaan syötettyä viiden voltin jännitettä aina kahden ampeerin virtaan asti. Tämä tehotaso ei kuitenkaan riitä lataamaan suurempitehoisia laitteita, jotka ladataan tyypillisesti AC-latureilla kymmenien wattien teholla.
Kuva 1. Nykyiset tehonsyöttöarkkitehtuurit.
Tämän päivän tyypillinen tehoarkkitehtuuri näkyy kuvassa 1. Se sisältää AC-adapterin, joka muuntaa AC-jännitteen DC-jännitteeksi ja käyttää 20 voltin jännitettä ladatakseen elektroniikkalaitetta, tässä tapauksessa ultrabook-kannettavaa. Ultrakannettava voi käyttää erilaisia kennorakenteita alkaen yhden kennon akusta neljän kennon akkuun. Jokaisella litiumioniakulla on tyypillinen toimintajännite 2,5 – 4,3 volttia purkautuneesta tilasta täysin ladattuun. Siksi ultrakannettavan jänniteskaala voi olla 2,5-17,2 volttia.
20 voltin adapterilla akun lataus käyttäisi ns. buck-topologiaa, jossa jännitettä muunnetaan 20 voltista alaspäin akun lataamiseksi. Ultrabookin 5 voltin USB-A/B-portti pystyy lataamaan ulkoista USB-laitetta, kuten älypuhelinta tai tablettia. Ultrakannettava käyttää samanlaista buck-topologiaa tuottaakseen viiden voltin latausjännitteen USB-portin kautta sisäisestä 2-, 3- tai 4-kennoisista akustaan. 1-kennoisessa akustossa käytetään jännitettä nostavaa boost-topologiaa.
Siirtyminen USB-C-väylään
USB-C muuttaa tapaa, jolla lataamme elektroniikkalaitteitamme. Tämä standardiliitäntä yhdistää kaiken kaikkeen. Datansiirron lisäksi USB-C tukee myös kaksisuuntaista tehonsyöttöä selvästi suuremmilla tehotasoilla. 5 voltin oletusjännitteellä USB-C-portti pystyy keskustelemaan liitetyn laitteen kanssa, pitääkö latausjännite nostaa 12, 20 tai muuhun yhdessä sovittuun jännitteeseen. USB-C-portin kautta voidaan siirtää enimmillään 20 voltin jännitettä viiden ampeerin virralla, mikä tarkoittaa sadan watin tehoa. Tämä riittää mainiosti tietokoneen lataamiseen, erityisesti kun useimmat 15-tuumaiset ultrakannettavat tarvitsevat vain 60 watin lataustehon. Siksi ei ole vaikea ymmärtää, miksi laitevalmistajat lataavat seuraavan polven laitteensa C-tyypin USB-liitännällä, kuten Apple osoitti MacBookillaan viime vuonna.
Kuva 2. Uudet tehonsyöttöarkkitehtuurit perustuvat C-tyypin USB-liittimeen.
Kun siirrytään USB-C-lataukseen, perinteisen tehoarkkitehtuurin pitää muuttua kun mobiililaitteiden valmistajat vaihtavat USB-C-porttiin. Kuva 2 näyttää, kuinka USB-C-väylä voi liittää minkä tahansa mihin tahansa. USB-C-adapteri 5-20 voltin jännitealalla voi ladata 1-, 2- tai 4-kennoista elektroniikkalaitetta kuten ultrakannettavaa. Nämä laitteet voivat ladata myös ulkoisia laitteita, kuten tabletteja, älypuhelimia, lisävirta-akkuja ja muita laitteita.
Erilaisia USB-C-lataustapoja
Uudenlainen haaste uudessa tehonsyöttöarkkitehtuurissa on se, miten 5-20 voltin muuntajaa käytetään lataamaan 2,5-17,2 voltin akkua, koska ei ole olemassa tarkasti määriteltyä tulon ja lähdön (input and output) suhdetta, joka vaatii buck-topologiaa, eikä tarkasti määriteltyä tulon ja lähdön suhdetta, joka oikeuttaa boost-topologian.
Kuva 3. Esi-boost -lähestymistapa.
Kuva 3 näyttää esi-boost-konseptiin (pre-boost) perustuvan lähestymistavan. Tässä USB-adapterin jännite nostetaan korkeammalle tasolla kuin suurin USB-adapterin jännite, kuten 25 volttiin, ja sen jälkeen käytetään buck-latauspiiriä lataamaan akku. Tämä ratkaisu vaatii erillisen boost-muuntimen, mikä nostaa laitekustannuksia ja heikentää energiatehokkuutta pre-boost -vaiheen lisähävikin takia.
Kuva 4. Buck-lataus tai boost-lataus -vaihtoehdot.
Kuva 4 näyttää buck- tai boost-laturikonseptiin perustuvan lähestymistavan. Siinä USB-adapterin jännitettä säädetään buck- tai boost-laturilla riippuen tulon ja lähdön jännitteiden suhteesta. Tämä menetelmä eliminoi esi-boost-lähestymistavan ylimääräisen tehohävikin, mutta se tarvitsee silti ylimääräisen boost-piirin, joka kasvattaa kustannuksia ja ratkaisun kokoa.
Kuva 5. Buck-boost-lataus.
Kuva 5 esittää buck-boost-topologiaan perustuvaa ratkaisua. Se voi operoida buck-tilassa, kun virtaa siirretään ”tulosta lähtöön” ja boost-tilassa (lähdöstä tuloon) tai buck-boost-tilassa, kun siirretään kahteen suuntaan. Tällainen joustavuus antaa parhaat mahdollisuudet kooltaan pienimpiin ja energiatehokkuudeltaan parhaisiin suunnitteluihin. Menetelmä saavuttaa kaikki järjestelmäsuunnittelijan vaatimukset.
Kuva 6. Buck-boost-laturin topologia.
Markkinoiden ensimmäinen USB-C-väylän buck-boost-latausratkaisu on Intersilin ISL9237. Kuva 6 näyttää ISL9237-latauspiirin topologian.Piiri koostuu neljästä kytkentäFETistä ja induktorista, sekä akun liitäntäFETistä (BFET). Neljä kytkentäFETtiä on ryhmitelty buck- ja boost-osioihin. Tämä topologia mahdollistaa operoinnin sekä buck- että boost-moodissa akun lataamisessa. Se voi myös toimia käänteisessä (reverse) buck-moodissa siirtääkseen virtaa USB-portin kautta ulkoiseen laitteeseen, kuten tablettiin, älypuhelimeen tai lisäakkuun.
ISL9237-piirillä on monipuoliset ominaisuudet ja se kykenee kommunikoimaan SMBus-väylää pitkin isännän kanssa. Se tukee USB 3.1-määrityksiä ja Intelin uusimpia IMVP8 PROCHOT#- ja PSYS-vaatimuksia, joilla suojaudutaan jännitepudotuksia, laturin ylivirtaa, akun ylivirtaa ja ylikuumenemista vastaan. Laturin virtaraja on kaksitasoinen ja täysin ohjelmoitavissa, jotta laturin virransyötöstä saadaan kaikki hyöty. Se tukee myös ulkoisia lisäakkuja ja matkalatureita.
Erittäin hyvällä hyötysuhteella lämpöenergiaa tuottava tai poistava ilmalämpöpumppu yleistyy edelleen kaikkialla maailmassa. Toshiba on kehittänyt suunnittelijoiden avuksi pitkälle integroidun referenssimallin, jonka pohjalta on helppo rakentaa hyvin energiatehokas lämpöpumppu optimoiduin kustannuksin.