Für USB-aktivierte Geräte sind bald größere Änderungen zu erwarten; dazu tragen drei neue Standards bei: USB 3.1, der USB-Typ-C-Steckverbinder und die USB Power Delivery Specification (USB PD). Seit den ersten Ankündigungen 2012 und 2013 arbeiten IC-Lieferanten und OEMs intensiv daran, und Produkte mit den neuen Funktionen kommen nach und nach auf den Markt.
Es ist aber nicht alles nur eitel Sonnenschein: Wie wir sehen werden, bringen die neuen Spezifikationen erhebliche Schwierigkeiten für das Stromversorgungssystem mit sich.
Kurze Zusammenfassung der neuen Standards
Worin bestehen die wichtigsten Änderungen der neuen Standards? Hier ist eine kurze Zusammenfassung.
Die letzte größere neue USB-Version – USB 3.0 – erhöhte die Datenrate von USB 2.0 von 480 Mbps auf 4,8 Gbps, verbesserte die Busnutzung mit synchronen Operationen und führte den Full Duplex-Betrieb ein. Darüber hinaus wurde die Stromkapazität von 500 auf 900 mA erhöht. USB 3.1 baut auf USB 3.0 auf, erhöht jedoch die Datenrate auf 10 Gbps.
USB Typ C ist ein umkehrbarer Formfaktor, der das aktuelle Sortiment der Typ A- und Typ-B-Steckverbinder unterschiedlicher Größen ersetzen wird. USB Typ C-Controller müssen nicht nur die Ausrichtung des Steckverbinders erkennen, sie müssen auch identifizieren, welches Protokoll (USB 2.0, 3.0 oder 3.1) von dem neu angeschlossenen Gerät unterstützt wird.
Im Gegensatz zur Nur-5 V-Stromversorgung herkömmlicher USB-Verbindungen definiert USB PD verschiedene Stromprofile, durch die Geräte höhere Stromstärken und Versorgungsspannungen anfordern können, als dies bislang möglich war. So erlaubt beispielsweise ein Profil Geräten die Anforderung von bis zu 2 A bei 5 V (für einen Energieverbrauch von bis zu 10 W), und ein anderes Profil erlaubt die Anforderung von bis zu 5 A bei 12 V (60 W) oder 20 V (100 W).
USB PD verwendet ein Ein-Draht-Protokoll, dessen Ausführung beginnt, nachdem die Einführung eines USB Typ C-Steckverbinders erkannt wurde. USB PD verwendet die Echtzeit-Aushandlung zwischen Systemen, um festzustellen, welches Gerät der Provider – in USB PD-Sprache der DFP oder Downstream Facing Port — und welches der Verbraucher oder UFP (Upstream Facing Port) ist. Die Spezifikation erlaubt, dass die Geräte ihre Rollen nach weiteren Aushandlungen wechseln, wenn geänderte Bedingungen vorliegen.
Anschließend richten DFP und UFP gemeinsam ein Strombereitstellungsschema oder einen „Vertrag“ ein; damit können beide Geräte auf ihren jeweils optimalen Energiestufen arbeiten. Die Verbraucher verlangen nur die Energie, die sie brauchen, und die Provider gewähren nur die Energie, die verfügbar ist.
Abbildung 1: USB Typ C-Ökosystem. (Quelle: NXP Semiconductors)
Power Design-Probleme beim Erfüllen der neuen Standards
Zusammen versprechen diese Standards, USB-Benutzern das Leben beträchtlich zu erleichtern – und gleichzeitig das der Konstrukteure von Stromversorgungssystemen zu erschweren. Beim Übergang von USB 2.0 ergeben sich für Stromversorgungssysteme zwei größere Probleme.
• Auf Systemebene erfordern die neuen USB-Spezifikationen eine vollständige Umgestaltung der alten Energiemanagementarchitektur von USB 2.0. Das neue Design muss nicht nur USB Typ C und den dazugehörigen umkehrbaren Steckverbinder aufnehmen können, sondern der Strom muss in beide Richtungen fließen können, die Geräte können ihre Funktion im Systembetrieb wechseln, und die verwendeten Stromstärken sind deutlich höher: bis zu 5 A bei 20 V (100 W) gegenüber den 500 mA bei 5 V (2,5 W) bei USB 2.0.
• Auf Schaltkreisebene erfordert der SuperSpeed+-Modus von USB 3.1 mit seiner Datenrate von bis zu 10 Gbps, dass jegliche zusätzliche Kapazität auf einem absoluten Minimum gehalten wird, was erhebliche Einschränkungen für ESE-Schutzgeräte mit sich bringt. Die höhere Spannung und Stromstärke erzwingen auch Änderungen bei den Spezifikationen von Schutzgeräten.
Designprobleme auf Systemebene
Auf Systemebene ist das USB PD-Gerät für viel mehr Funktionen verantwortlich als der vor USB PD verwendete Controller, der lediglich bei der Bereitstellung der erforderlichen Spannung und Energie den USB-Stromversorgungsstandards entsprechen muss.
Wie oben erwähnt, muss ein USB PD-Controller einen komplexen Satz von Operationen durchführen. Zunächst muss er erkennen, wenn ein Kabel in den Typ-C-Steckverbinder eingeführt wird und wie es ausgerichtet ist. Dann wird mit dem anderen gerät über die CC-Leitungen ein USB PD Power-Vertrag ausgehandelt, um die gewünschte Funktionalität und die Energiestufen zu bestimmen; dazu dienen die USB PD-zweiphasenmarkierte Kodierung (BMC) und das PHY(Physical Layer)-Protokoll.
Danach aktiviert der Controller den jeweiligen Strompfad und konfiguriert die USB PD Alternate Mode-Einstellungen, die die gleichzeitige Nutzung anderer Protokolle, wie etwa DisplayPort, erlauben. Der Vertrag kann während des Betriebs jederzeit neu ausgehandelt werden, wenn Bedingungen sich ändern, der Controller muss daher angemessen auf neue Eingaben reagieren.
Beispiel-USPD-Controller
Diese Funktionalitätsebene verlangt ein komplexes Mischsignal SoC(System-On-Chip)-Gerät, normalerweise mit einem Mikrocontrollerkern und einem analogen ASIC. Typische Geräte verwenden interne FETs für die Stromversorgung mit 5 und 12 V und externe Power-FETs, wenn 20 V, 5 A benötigt wird.
Der TPS65982 von Texas Instruments ist ein USB-Typ-C- und USB-PD-Controller mit sechs größeren Blöcken – einem Kabelstecker- und Orientierungsblock, einem USB PD-PHY, einem ARM-Kern-basierten, vollständig konfigurierbaren Portrichtlinienmanager, einem Energiemanagementblock, Strompfaden mit internen 3-A- und optionalen 20-V/5-A-FETs sowie einem integrierten High-Speed-Mix für erweiterte Alternate Mode-Funktionen. Der TPS65986 ist ein ähnliches Gerät ohne die externe FET-Funktion. Zu den Zielanwendungen gehören Notebook-Computer, Tablets und Ultrabooks, Dockingsysteme sowie USB PD-fähige busgetriebene Geräte und andere Protokolle über den USB PD Alternate Mode wie DisplayPort, Thunderbolt und HDMI.
Abbildung 2: TPS65982-Power-Interface in einer Ladegerätanwendung mit 20 V. (Quelle: Texas Instruments)
Das Modell CCG1 von Cypress Semiconductor enthält einen 48-MHz ARM 32-Bit Cortex-M0-Prozessor mit 32 KB Flash und 4 KB SRAM, zwei konfigurierbare 16-Bit TCPWM-Blöcke und einen seriellen Kommunikationsblock (SB) mit I2C (Master oder Slave), SPI (Master oder Slave) oder UART-Fähigkeit. Weitere Features sind integrierte Typ C-Transceiver, ein 12-Bit, 1-Msps-A/D-W für die Überwachung der VBUS-Spannung und -Stromstärke sowie bis zu 30 GPIOs.
NXP Semiconductor verfügt ebenfalls über ein Portfolio von USB Typ C-Produkten, einschließlich einer vollständigen USB Typ C-Lösung mit Authentifizierung zur Prüfung eines Geräts und um festzustellen, ob bestimmte Funktionen dieses Geräts aktiviert werden sollen. Dies bietet einige Vorteile, etwa eine längere Batterielaufzeit und die Vermeidung von Sicherheitsgefahren oder Geräteschäden durch minderwertige Materialien oder nicht konforme Produkte.
Andere NXP-Geräte enthalten ARM-basierte MCUs mit USB-PD-Firmware, Signalwechsler zur Verbesserung der Übertragungsabstände und die Senkung der Bitfehlerrate (BER) sowie N-Kanal-Leistungsschalter, die ein System automatisch von einer fehlerhaften Quelle oder Last isolieren.
ESE-Schutz für USB 3.1 und USB PD
USB 3.1 verwendet die gleichen Differenzialsignalleitungen wie USB 3.0, verdoppelt die Datenrate jedoch auf 10 Gbps. Bei höheren Geschwindigkeiten ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Schnittstelle über den ganzen Signalpfad hinweg die Impedanz wahrt. Jede fehlerhafte Impedanz führt zu Reflektionen in der Leitung und diese wiederum zu Jitter und potenziellen Beeinträchtigungen der Signalqualität; USB 3.1-System erfordern daher strikte Kapazitätsgrenzen für alle externen Komponenten im Signalpfad.
Obwohl ESE-Schutzgeräte keine Kapazität hinzufügen, sind sie kritische Komponenten. Der Übergang zu kleineren Prozessgeometrien kann zu höheren Geschwindigkeiten führen, erhöht aber auch die Anfälligkeit für ESE-Impulse. Und nicht nur das: Ein USB-Port an einem Verbrauchergerät, etwa einem Laptop oder einem Mobiltelefon, wird in einer nicht kontrollierten ESE-Umgebung verwendet. Vergessen Sie Erdungsarmbänder oder geerdete Tischoberflächen. Stattdessen ist es sehr wahrscheinlich, dass Benutzer beim Einstecken oder Herausziehen eines Steckers versehentlich einen Steckerpin berühren – direkt, nachdem sie über einen Nylonteppich gegangen sind oder ihre Katze gestreichelt haben!
Bei herkömmlichen Gerätearchitekturen steigt die Gerätekapazität zusammen mit dem ESE-Schutz, weshalb Konstrukteure sich zwischen Signalintegrität und ESE-Schutz entscheiden müssen. Halbleiterdioden haben viele erwünschte Eigenschaften, wie etwa niedrige Klemmspannungen, kurze Einschaltzeiten und höhere Zuverlässigkeit, bis vor Kurzem hatten Sie aber eine höhere Kapazität als andere Architekturen.
Jetzt führen Hersteller jedoch auf Dioden basierende Schutzgeräte mit sehr niedriger Kapazität speziell für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ein. So wurde etwa das Modell PUSBFR4 von SXP Semiconductor zum Schutz von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie etwa der SuperSpeed USB 3.1 mit 10 Gbps entwickelt. Das Gerät verfügt über vier allgemeine ESE-Schutzdiodenstrukturen und ist in einem bleifreien kleinen DFN2510A-10 (SOT1176-1)-Kunststoffgehäuse eingekapselt. Alle Signalleitungen werden durch eine spezielle Diodenkonfiguration geschützt, die eine äußerst niedrige Leitungskapazität von 0,29 pF bietet. Die Dioden verwenden eine Snap-Back-Struktur zum Schutz nachgeordneter Komponenten gegen ESE-Spannungen von bis zu ±15 kV Kontakt, was die Anforderungen von IEC 61000-4-2, Level 4 überschreitet.
Das ähnliche Modell PUSB3FR6, mit sechs ESD-Geräten, bietet Schutz auf Systemebene für die USB 2.0- und USB 3.1-Kombination, ein Feature des USB Typ C-Steckverbinders.
Abbildung 3: ESD7008-Klemmreaktion auf IEC61000-4-2 +/-8 kV-Kontakt-ESE-Impuls. (Quelle: ON Semiconductor)
ON Semiconductor ist ebenfalls auf diesem Markt aktiv. Sein Modell ESD7008 bietet ESE-Schutz für vier Differenzialpaare (8 Leitungen) in einem UDFN18-Gehäuse. Das Flow-Through-Gehäuse ermöglicht ein einfaches PCB-Layout und entsprechende Spurlängen zur Wahrung einer konsistenten Impedanz. Das Gerät verfügt über eine typische Kapazität von 0,12 pF zur Erde.
Fazit
USB Typ C, USB 3.1 und USB PD sind gemeinsam die Zukunft der USB-Technologie. Die innovativen Aspekte des Gesamtsystems – die umkehrbaren Steckverbinder, die erhöhte Geschwindigkeit und das neue PD-Format – eröffnen sicherlich neue Entwicklungsherausforderungen für Power-Systemdesigner; die ersten Lösungen wurden jedoch bereits eingeführt und viele weitere befinden sich in den abschließenden Entwicklungsphasen.