Ta utfordringene med USB PD gjennom mer effektive, integrerte og synkrone likeretter-kontrollere

Spesifikasjonen for USB 3.x er kanskje mer ambisiøs enn noen annen standard som har gått foran den. Og med ambisjoner, kommer utfordringer. I dette tilfellet faller de inn i to områder; å opprettholde signalintegritet for data med høy hastighet (opptil 40 Gbit/s), og levere mer effekt (så mye som 100W), og samtidig gjøre det mulig for to tilkoblede enheter å megle mellom kilde og tap av effekten. Disse utfordringene er basert på det faktum at Type-C-kontakten også er universell, ved at den kan settes inn begge veier (opp-ned/ned-opp).

Dette vil skape etterspørsel etter nye løsninger som gir fleksibel kraft, høyhastighets datalinjer og ESD-beskyttelse, høyhastighetsforsterkere og kontrollere som støtter USB 3.1 Gen1/2-hastigheter og strømforsyning. Mange av disse enhetene kan settes inn i selve kabelen for å skape såkalte aktive kabler, noe som betyr at produsentene også trenger tilgang til pakkede løsninger innkapslet i sub millimeterpakker med ekstremt lav (mindre enn 1pF) kapasitans, som de som nå tilbys av ON Semiconductor.

Data til side, strømforsyning kommer til å være et betydelig aspekt i Type-C-landskapet, da det tillates at to enheter bestemmer, mellom dem, om én skal gi strøm til den andre og på hvilket nivå. Scenariet som det ofte refereres til, er en fulladet mobiltelefon som gir strøm til en batteridrevet bærbar PC, samtidig som den bærbare datamaskinen kan se mobiltelefonen som en masselagringsenhet.

På kort sikt er forventningene at de fleste av strømadapterne for avanserte bærbare PCer som vil bli produsert i løpet av de neste to årene, kan tilpasse utgangseffekten basert på etterspørsel fra en enhet, ved hjelp av «Power Delivery» (PD)-funksjonene i USB3.1-spesifikasjonen.

Økende effektivitet
Et nøkkelelement i et PD-aktivert strømadapter vil være evnen til å variere utgangseffekten, da spesifikasjonen tillater opptil 100W (5V ved 20A) levert over kabelen. Men da dette ikke er en fast utgang, må adapteret implementere en ny form for effektkonvertering og regulering, med ekstrem effektivitet både i primær- og sekundærreguleringstrinnene.

I et forsøk på å forbedre generell effektivitet av kraftomformere har industrien generelt vedtatt en synkron likeretter-topologi for regulering av sekundær-siden. I praksis innebærer dette å erstatte dioden (opererer som en solid state-bryter, som vist i figur 1) med en mye mer effektiv FET (opererer også som en solid state-bryter, figur 2) for å likerette AC-spenningen fra sekundærsiden av Flyback-strømtransformatoren til en stabil DC-spenning på adapterens utgangsterminal.

Ved lave utgangsspenninger blir spenningsfallet over dioden signifikant i total effektivitet. Ved å bruke en Schottky-diode reduseres dette fallet fra rundt 0,7 V til 0,3 V, men ved å erstatte dioden med en FET med lav på-motstand kan effektiviteten økes ytterligere på bekostning av økt kretskompleksitet. For å takle denne kompleksiteten, tilbyr krafthalvlederprodusenter nå synkrone likeretter-kontrollere, som driver FET’en og setter den på og av ved de riktige tidspunktene. Kontrolleren vil innføre noe forsinkelse i dette tilfellet, og det ideelle ville være å oppnå nullforsinkelse. Selv om fysikken ikke tillater null forsinkelse, prøver produsentene å oppnå kortest mulig av- og på-forsinkelser. Av-forsinkelsen er spesielt kritisk i en Flyback-basert omformertopologi som er utviklet for å fungere i kontinuerlig leder-modus (CCM), slik det vil være tilfelle med USB PD-strømadaptere. Dette skyldes at i CCM vil strømmen som flyter gjennom sekundærsiden av transformatoren aldri nå null før FET på den primære siden slås på; en forsinkelse ved å slå av sekundærside FET kan føre til «shoot-through», i virkeligheten en kortslutning mellom primær- og sekundærsiden, og strømkomponentene blir utsatt for potensielt skadelig høy strøm.

I et forsøk på å forbedre effektiviteten, ser utviklere på Gallium Nitride (GaN) High Electron Mobility Transistors (HEMTs), som kan svitsje enda raskere enn MOSFETs. Imidlertid er driverkravene til GaN HEMT forskjellige fra MOSFETer, og derfor må de synkrone likeretter-regulatorene støtte dette.

Integrerte løsninger
I tillegg til å designe kontrolleren for å oppnå rask svitsjing; en effektiv måte å minimere bytteforsinkelser på er å implementere en effektiv måte å registrere spenningsfallet over transistoren som kan oppnås ved å bruke eksterne komponenter (som kan innføre forsinkelser på grunn av motstand og kapasitans i komponentene), eller for å bruke «Direct Sensing» (DS), der kontrolleren kan overvåke laststrømmen direkte som en funksjon av spenningsfallet over transistoren. For å kunne implementere DS, må kontrolleren imidlertid utformes til å motstå de høye spenningene som kan oppstå over transistoren.

Et tredje hensyn når du velger en SR-kontroller, er innkoblingsforsinkelsen. Når lasten krever mer kraft, vil primærside-kontrolleren levere den, men den sekundære siden må også svare på denne etterspørselen ved å slå på transistoren så raskt som mulig, for å unngå at strømmen går gjennom transistorens diodekropp i stedet for kanalen.

Å møte disse kravene i en enkelt integrert løsning er nå nødvendig hvis produsentene skal levere strømadaptere som møter spesifikasjonene til USB 3.x Type-C PD. Et eksempel er NCP4306 fra ON Semiconductor. Denne SR-kontrolleren for effektive svitsjede strømforsyninger med høy effektivitet har best mulig av-forsinkelse på bare 13 ns, og en startforsinkelse på typisk 30 ns.

Den samme familien av SR-kontrollere inkluderer varianter som kan kjøre enten MOSFET eller GaN HEMT direkte, noe som gjør det mulig å designe med forsterkningsmodus GaN-transistorer for ultrahøy tetthet og høyytelses USB PD-adaptere, basert på en høyfrekvent QR Flyback topologi. Eller den mer avanserte «Active Clamp Flyback»-topologi, som opererer ved frekvenser så høye som 1MHz. NCP4306-familien støtter disse topologiene takket være sin evne til å drive GaN-transistorer, samt oppstarttid og evne til å motstå DS-spenninger på opp til 200 V. Figur 3 viser NCP4306 i en typisk applikasjon. Enheten har også en driverstrøm på 2 A og en synkestrøm på 7 A, noe som gjør NCP4306 til en markedsleder når det gjelder ytelse, og fremtidssikker transistorteknologi.

Konklusjon
Bærbarhet og kraftdeling kommer sammen under den siste versjonen av USB, og vi vil se nye og enklere måter å koble til og drive bærbare enheter på. Strømadapteret har også en rolle å spille i dette nye landskapet, noe som vil kreve mer effektive og høyt integrerte enheter designet for å møte utfordringene i kraftlevering.