Die Stromversorgung bei Ausfall aufrechterhalten

Schneller Rollenwechsel

Die Einführung von USB Typ-C und USB Power Delivery (PD) wird die Art und Weise, wie man mit Notebooks, Tablets und Smartphones und deren Zubehör umgeht, nachhaltig verändern. Nur noch ein einziges Kabel wird für Stromversorgung und Daten benötigt werden, ohne dass zuvor abgestimmt werden muss, welche Seite als Host und welche als Client fungiert. Die Stromversorgung kann von beiden Seiten bzw. beiden Geräten aus erfolgen und außerdem können sich die ursprünglich ausgehandelten Stromversorgungsrollen je nach Situation dynamisch ändern.

Der USB PD Host wird vom USB PD Hub mit Strom versorgt. (Bild: Texas Instruments)

Der USB PD Hub wird vom USB PD Host mit Strom versorgt. (Bild: Texas Instruments)

Als die Geräte gemäß USB PD 2.0 auf den Markt kamen, erlebte man mehrere neue Anwendungsfälle, die bis dato wirklich neu waren. Bild 1 zeigt eine gängige Konfiguration aus Host, Hub und Peripheriegerät. Der Host soll hier über den Hub geladen werden, während gleichzeitig ein Festplattenlaufwerk versorgt und auf einem Monitor ein verlustloses Bild dargestellt wird. Was passiert aber, wenn man den Stecker des Ladegeräts zieht? Was passiert, hängt von den Umständen ab – und genau hierin liegt das Problem. In vielen Systemen nämlich erfolgte der Wechsel der Stromversorgungs-Rolle nicht schnell genug: die Daten- und Videoverbindung fiel für einen kurzen Moment aus, wenn der USB PD Host zur Stromquelle wurde. Andere Systeme gingen in eine alternative Betriebsart über (z. B. die Quick-Swap-Lösung von TI), wenn die ursprünglichen Stromversorgungs-Rollen eingerichtet wurden, und gewährleisteten damit die Verfügbarkeit einer stabilen Spannung, selbst wenn das Ladegerät vom USB PD Hub abgezogen wurde.

Gesucht: eine einheitliche Methode für die Interoperabilität

Die Designer fanden eine Möglichkeit zur Lösung dieses Problems mithilfe von USB PD 2.0. Dennoch war klar, dass eine einheitliche Methode benötigt wurde, um die Interoperabilität und Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Geräten zu wahren. Die neue Spezifikation USB PD 3.0 bringt die Lösung für eine stimmigere Nutzererfahrung im USB Typ-C und USB Power Delivery Ökosystem. Die ursprüngliche Stromquelle muss erkennen, dass die Stromversorgung gekappt wurde, und einen Tausch der Stromversorgungs-Rollen anstoßen. Die ursprüngliche Senke wiederum muss die bisherige Quelle weit schneller mit Strom versorgen, als es im Zuge einer normalen PD-Spannungsänderung zulässig wäre. Diese beiden Komponenten ermöglichen der ursprünglichen Quelle die Aufrechterhaltung der Stromversorgung während eines Ausfalls der Versorgung. Der schnelle Rollentausch wird initiiert, wenn die Quelle die CC-Leitung für eine Dauer von 60 bis 120µs unter 490mV zieht. In Bild 3 sind die in den TPS65983B integrierten Signalisierungs-Komponenten zu erkennen. Wie man sieht, liegt an jeder CC-Leitung ein niederohmiger Pull-down-Widerstand. Fällt die Stromversorgung aus, so aktiviert der interne Controller des TPS65983B diese beiden Pull-down-Widerstände für die erforderliche Zeitspanne und informiert damit die Verbraucher darüber, dass ein schneller Rollentausch bevorsteht.

Signalisierung eines schnellen Rollentausches (Bild: Texas Instruments)

VBUS während eines schnellen Rollentausches (Bild: Texas Instruments)

Signalisierung eines schnellen Rollentauschs

Nach dem Empfang der Benachrichtigung über den schnellen Rollentausch muss der Host sehr schnell reagieren. Ihm stehen weniger als 150µs zur Verfügung um die Rolle der Quelle zu übernehmen und 5V bei 3A zur Verfügung zu stellen. Unter regulären Bedingungen und mit der typischen Anstiegsgeschwindigkeit von 30mV/µs beträgt die Einschaltzeit für eine 5-V-Versorgung allerdings ca. 158µs. Zur Einhaltung der neuen Spezifikation ist deshalb eine deutlich schnellere und dynamischere Lösung gefragt. Hier ist es günstig, dass der TPS65983B sowohl den Quellen- als auch den Senkenpfad enthält. Er kann außerdem die Schaltzeit seiner internen Leistungs-FETs dynamisch verändern, damit die neuen Timing-Vorgaben eingehalten werden. Ebenso kann er die Strombegrenzungs-Einstellung dynamisch rekonfigurieren um den durch die kurze Einschaltzeit hervorgerufenen, höheren Inrush-Strom zu berücksichtigen. Bild 4 verdeutlicht die Übergabe von VBUS von der alten an die neue Quelle, damit eine konstante Versorgung auf VBUS gewährleistet ist. USB Typ-C und USB PD können jetzt die nötigen Rahmenbedingungen zur Komplettierung der Nutzererfahrung schaffen. Der TPS65983 übernimmt nicht nur die notwendige Signalisierung für USB PD 3.0, sondern enthält auch die Leistungs-FETs und steuert die Stromversorgungs-Pfade für einen schnellen Rollentausch. Proprietäre oder diskrete Implementierungen werden somit nicht mehr benötigt.

Autor: Kevin Jones,
Director of Marketing and Business Development Advanced Circuit Solutions,
Texas Instruments
www.ti.com