Analogtipp Geräte durch USB-C und USB PD aufwerten

Die Implementierung einer USB-C-Schnittstelle ist nicht trivial, da sie eine genaue Kenntnis der USB-Spezifikationen voraussetzt und mit hohem Hardware-Aufwand verbunden ist. In diesem Tipp verrate ich Ihnen, wie es wesentlich einfacher geht.

USB-C-Schnittstellen mit Power Delivery (PD) etablieren sich zunehmend als Standard-Ladeanschlüsse für akkubetriebene Geräte wie etwa Funklautsprecher, Mobiltelefone oder Power Banks. Für die Anwender dieser Geräte ist diese Vereinheitlichung eine große Erleichterung: Denn mit USB PD steht zum schnellen und komfortablen Aufladen der unterschiedlichsten Geräte eine universelle Lösung zur Verfügung, bei der eine Vielzahl unterschiedlicher Ladegeräte und Ladekabel nicht mehr vorzuhalten sind.

Nicht zuletzt ist USB PD auch für Produktentwickler attraktiv, denn Anwendungen lassen sich mit dieser Technik platzsparender und mit geringerem Bauteileaufwand realisieren. Außerdem können die Ladezeiten verkürzt werden. Alle diese Aspekte machen insgesamt deutlich, weshalb Konsumenten bei neuen Geräten darauf achten, dass diese mit USB-C ausgestattet sind.

Für die Produktentwickler allerdings stellte die Implementierung eines USB-C-Ports in der Vergangenheit eine echte Herausforderung dar. Man musste die USB-Spezifikationen genau kennen und der Entwicklungsaufwand für die Firmware und die Hardware war immens, zumal ein reibungsloses Zusammenspiel mehrerer Bauelemente erforderlich war.

Der USB-PD-Controller und der Lade-IC arbeiten nämlich eigenständig und völlig unabhängig voneinander, weshalb sie in einem System nicht ohne einen externen Mikrocontroller betrieben werden können. Wenn beispielsweise der USB-PD-Controller neue Spannungs- und Stromwerte für den USB-C-Port aushandelt, muss der Mikrocontroller diese Informationen aus dem Baustein auslesen und den Lade-IC entsprechend programmieren.

Konfigurationsaufwand entsteht ebenfalls für den USB-PD-Controller selbst. Hier muss Firmware entwickelt werden, um das Verhalten des Controllers festzulegen und dafür zu sorgen, dass die Anforderungen des Systems bezüglich der Spannungen sowie der zulässigen Quellen- und Senkenströme eingehalten werden.

Eine Vereinfachung war hier somit dringend erforderlich. Um das Design eines USB-PD-Ports für batteriebetriebene Anwendungen mit einer Leistung bis zu 45 W zu erleichtern, verfügt der USB-PD-Controller TPS25750 über I²C-Hostunterstützung. Über dieses Interface aktualisiert der TPS25750 automatisch die Ladeparameter des Lade-IC BQ25792 gemäß der für den USB-PD-Port ausgehandelten Leistung. Ein externer Mikrocontroller kann folglich entfallen, und es muss auch keine Firmware mehr entwickelt werden, um batteriebetriebene Geräte mit einem USB-PD-Port auszustatten.

Das Verhalten des USB-PD-Ports kann über die webbasierte grafische Benutzeroberfläche (Graphical User Interface, GUI) des TPS25750 intuitiv konfiguriert werden. Hierzu sind nur wenige Multiple-Choice-Fragen zu beantworten, und es ist weder ein komplexes Scripting noch ein Kompilieren von Code oder ein anderweitiges Entwickeln von Firmware nötig. Abgesehen vom geringeren Bauteileaufwand kann die USB-PD-Funktionalität somit auch ohne tiefgreifende USB-Vorkenntnisse realisiert werden.

Der TPS25750 und BQ25792 enthalten sämtliche Leistungspfade für den Akkulader und den USB-PD-Controller (Bild 1). Werden beide Bausteine gemeinsam eingesetzt, kann der USB-PD-Port Leistung sowohl abgeben als auch aufnehmen, sodass das System entweder als Ladegerät fungieren oder selbst aufgeladen werden kann, wenn es über den USB-PD-Port mit einem Laptop oder einem Smartphone, mit Kopfhörern oder einem Netzteil verbunden wird.

Neben diesen Vorteilen für die Systemimplementierung ist hervorzuheben, dass die Bausteine TPS25750 und BQ25792 nicht nur ohne zusätzlichen Mikrocontroller auskommen, sondern auch sämtliche im System benötigten FETs enthalten, was sehr kleine Abmessungen für die Gesamtlösung von ca. 55 mm² zur Folge hat, während es bei einer MCU-basierten, nicht integrierten Lösung, wie sie in Bild 2 gezeigt ist, etwa 150 mm² sind.  (kr)

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