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USB-C-, Power Delivery- und Programmable Power Supply-Netzteil

12. Mai 2020 von Bruce Rose – Lesezeit: 10 Minuten

USB-C-, Power Delivery- und Programmable Power Supply-Netzteil

Die Architektur von USB (Universal Serial Bus) wird seit 1996 als Norm für Steckverbinder und die damit verbundenen Signale und die Stromversorgung verwendet. Während dieser Zeit gab es zahlreiche Änderungen der Spezifikationen, um die Leistung der Systeme, die diese Normen anwenden, zu verbessern. Zu den neuesten Entwicklungen, die auf Netzteildesigns anwendbar sind, gehören der USB-C-Stecker, die USB-Power-Delivery-Spezifikation und die USB-Programmable-Power-Supply-Spezifikation. Diese Verbesserungen machen USB zu einer ausgezeichneten Option für die Stromversorgung, obwohl USB in der Vergangenheit in erster Linie ein Anbieter von Daten und Signalen mit begrenzter Leistungsfähigkeit war. In diesem Beitrag besprechen wir die Beziehung zwischen USB-C, USB Power Delivery und USB Programmable Power Supply sowie deren Beziehung zu Stromversorgungen.

  • USB-C: Ein standardisierter USB-Stecker; zu den Vorteilen gehört das kompakte, schlanke und umdrehbare Design.
  • USB Power Delivery: Eine Spezifikation, die es der Last und der Stromversorgung ermöglicht, mehrere Standard-Leistungsstufen auszuhandeln. USB Power Delivery erhöht die Leistungsaufnahme von USB auf 100 W und ist besonders nützlich, wenn mehrere Geräte mit Strom versorgt werden.
  • USB Programmable Power Supply: Eine ergänzende Spezifikation zur USB Power Delivery, die beschreibt, wie Last und Netzteil für inkrementelle Leistungsabgabestufen kommunizieren. Diese Funktion kann besonders beim Laden von Akkus nützlich sein.

USB-C-Stecker

Das Design des USB-C-Steckers (auch als USB-C bezeichnet) ist symmetrisch, sodass er in beiden Richtungen eingesteckt werden kann, d. h., es gibt keine richtige Seite nach oben oder nach unten. Dadurch lässt sich der Stecker schneller und einfacher einstecken als bei früheren USB-Stecker-Designs. Bei früheren Steckerdesigns muss der Anwender den Stecker visuell prüfen, um die korrekte Ausrichtung zu bestimmen, oder er muss den Stecker durch Herumprobieren einführen, was zu einer leichten, aber nur allzu bekannten Unannehmlichkeit führt. Ein weiteres Merkmal des USB-C-Steckers ist, dass er abgerundete Kanten hat, was den Vorteil hat, dass er sich beim Einstecken des Steckers selbst ausrichtet.

Abbildung von USB-Anschlüssen

Der USB-C-Stecker ist für die Lieferung moderater Leistung (weniger als 100 W) vorgesehen und die mit dem kleinen Stecker verbundenen Spezifikationen ermöglichen die Stromversorgung einer breiten Palette kompakter elektronischer Produkte. Ein Vorteil der Verwendung von USB-Steckern für die Stromversorgung und Signalisierung ist, dass es ein elegantes Design mit niedrigen Entwicklungskosten ist. Dies ist weitgehend auf die Größenvorteile zurückzuführen, die durch die weit verbreitete Einführung des Steckers auf globaler Ebene erzielt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass das System durch eine große Anzahl von Anwendern und Produktdesigns validiert wurde, was bedeutet, dass das Design seine Zuverlässigkeit bewiesen hat. Die Wahrscheinlichkeit ist also sehr gering, dass irgendwelche unbekannten Betriebsprobleme auftreten. Es ist wichtig zu beachten, dass USB-C aufgrund der Komplexität und Geschwindigkeit, die USB-C bietet, in der Regel mehr kostet als die ältere Generation von USB-Steckverbindern. Da USB-C-Stecker jedoch immer allgegenwärtiger werden, wird erwartet, dass die Kosten entsprechend angepasst werden.

Nicht-konforme USB-C-Anwendungen

Ein Designer könnte sich aufgrund des schlanken Designs, der geringen Größe und der niedrigen Kosten für einen USB-C-Stecker entscheiden, aber beschließen, sich nicht an die USB-Power-Delivery-Standards zu halten. Die Wahrscheinlichkeit, mit einem nicht konformen Design Geräteschäden zu verursachen, ist gering, solange die Spannung des nicht konformen Netzteils 5 V beträgt und die maximale Laststromspezifikation unter dem 5-A-Nennwert des Steckverbinders liegt. Es besteht ein erhebliches Risiko, die Last zu beschädigen, wenn ein nicht konformes Netzteil eine Ausgangsspannung liefert, die größer ist als die Legacy-USB-Spannung von 5 V.

Beziehung zwischen USB-C, Power Delivery und 3,1 Gen 2

Der USB-C-Stecker ist eng mit USB 3,1 Gen 2 und USB Power Delivery verbunden. Dies führt oft zu Verwirrungen über die Beziehung zwischen den Konzepten USB-C, 3,1 Gen 2und USB Power Delivery. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass diese Konzepte zwar miteinander verbunden sind und einander ergänzen, aber unabhängig voneinander sind. Ein Gerät oder Netzteil kann einen USB-Stecker verwenden, ohne USB 3,1 Gen 2 oder USB Power Delivery zu implementieren.

Es ist wichtig zu beachten, dass die USB-Protokolle auch mit anderen als den angegebenen USB-Steckern implementiert werden können. Ein Kunde könnte sich dafür entscheiden, die USB-Daten- und Stromversorgungsprotokolle zu verwenden, um die Vorteile der extrem großen Entwicklungs- und Verifizierungsbemühungen zu nutzen, die bereits von USB eingesetzt werden, aber nicht die standardisierten USB-Stecker zu verwenden, um ein proprietäres System zu schaffen.

USB Power Delivery

Eines der Ziele von USB ist die Aufrechterhaltung der Interoperabilität zwischen konformen Implementierungen älterer und neuerer Versionen der Spezifikationen. In früheren Versionen von USB-Standards wurde die gelieferte Spannung als 5 V angegeben. Der USB-Power-Delivery-Standard erlaubt eine Spannung von 5 V, 9 V, 15 V oder 20 V und Leistungen bis zu 100 W.

Version Maximale Leistung Spannung Maximaler Strom
USB 2,0 2,5 W 5 V 500 mA
USB 3,1 4,5 W 5 V 900 mA
USB BC 1,2 7,5 W 5 V 1,5 A
USB Typ C 1,2 15 W 5 V 3 A
USB-PD 100 W 5/9/15/20 V 5 A
Entwicklung der USB-Leistungspegel

USB Power Delivery legt Betriebsprotokolle fest, um sicherzustellen, dass die höhere Spannung, die in den jüngsten USB-Versionen verfügbar ist, Altgeräte, die für den 5-V-Betrieb ausgelegt waren, nicht beschädigt. Um solche Schäden zu vermeiden, erfordert die USB Power Delivery konforme Geräte, die zunächst 5 V bei maximal 900 mA an die Last abgeben. Durch die Kommunikation zwischen der Last und der Stromquelle können dann ein höherer maximaler Laststrom und eine höhere Betriebsspannung erreicht werden. Wenn nach dem Anschließen der Last und des Netzteils keine Kommunikation stattfindet, bleibt die Konfiguration des Netzteils bei 5 V und 900 mA maximaler Laststromkapazität. Wenn die Kommunikation zwischen Last und Netzteil verloren geht, nachdem sie hergestellt wurde, kehrt die Stromversorgung sicher wieder in die 5-V- und 900-mA-Konfiguration zurück.

Diagramm der Leistungspegel spezifiziert durch USB-PD
Durch USB Power Delivery spezifizierte Leistungspegel

USB Power Delivery – Anwendungen

Der Vorteil von USB Power Delivery, eine einzelne Stromquelle zu schaffen, mit der mehrere Produkte mit Strom versorgt werden können, wird von größtem Nutzen sein, wenn die Produkte hochentwickelt und teuer sind. Ein Beispiel für eine Anwendung für USB Power Delivery ist eine Stromquelle, die zum Aufladen von Mobiltelefonen, Laptops, Tablets, Smart-Uhren und In-Ohr-Kopfhörern verwendet wird. Alle diese Produkte sind ausreichend hochentwickelt, dass die zusätzlichen Kosten und die Komplexität der Kommunikation mit der Stromquelle akzeptabel sind. Darüber hinaus kann sich der Benutzer in einem Fahrzeug, einem Raum, einem Büro oder auf Reisen befinden, wo er die Stromversorgung für diese Geräte erwarten würde, aber die Mischung der verschiedenen Stromlasten wäre schwer vorhersehbar. In diesen Szenarien würden USB-Power-Delivery-Stromquellen mit jedem Gerät verhandeln, um die richtige Spannungs- und Stromkonfiguration zu liefern, wie sie von der jeweiligen Last benötigt wird.

Abbildung zeigt Geräte im Bereich des USB-PD-Bereichs

Die Behauptung, dass USB Power Delivery ein schnelleres Aufladen von Akkus ermöglicht, ist zwar nicht falsch, kann aber missverstanden werden. Die zum Laden eines Akkus erforderliche Zeit ist durch die Konstruktion des Akkus und durch die Leistungsabgabefähigkeit des Netzteils begrenzt. Die Implementierung von USB Power Delivery verkürzt die zum Aufladen eines Akkus erforderliche Zeit, wenn das Aufladen des Akkus durch die Stromlieferkapazität des Ladegeräts und nicht durch die Akkukonstruktion begrenzt war. USB Power Delivery verkürzt die Ladezeit im Vergleich zu einem Netzteil mit fester Ausgangsleistung nicht, wenn die Ausgangsleistungskapazität beider Quellen gleich ist.

Produkte, die möglicherweise keine guten Kandidaten für die USB Power Delivery sind, sind solche, die weniger komplex und weniger teuer sind und einen relativ geringen Energiebedarf haben. Preiswertere Produkte können die Design- und Herstellungskosten möglicherweise nicht verkraften, da die USB-Power-Delivery-Funktion in das Gerät eingebaut ist, um mit dem Netzteil zu kommunizieren. Bei den meisten Anwendungen, bei denen eine Stromquelle ausgewählt wird, um eine Last mit Strom zu versorgen, wird die Kapazität der Stromquelle nur so gewählt, wie es die Last erfordert. Wenn eine Stromquelle mit höherer Kapazität spezifiziert wurde, dann führt die Überkapazität der Stromquelle dazu, dass die Größe und die Kosten der Stromquelle höher sind als erforderlich. Die Leistungsabgabekapazität einer USB-Power-Delivery-Quelle muss so ausgelegt sein, dass sie die maximale Nennleistung der konfigurierbaren Quelle liefert. Bei einem System mit geringer Last, das entweder von einer USB-Power-Delivery-Quelle oder einer kleineren Stromversorgungsquelle gespeist werden könnte, fallen Kosten- und Größennachteile bei der Verwendung der USB-Power-Delivery-Quelle an.

USB Programmable Power Supply

Das USB-Programmable-Power-Supply-Protokoll bietet eine größere Stromversorgungskontrolle als Legacy- und USB-Power-Delivery-Protokolle. Während das USB-Power-Delivery-Betriebsprotokoll regelt, wie USB-Netzteile diskrete Spannungsstufen bereitstellen, legt das USB-Programmable-Power-Supply-Betriebsprotokoll die Fähigkeit fest, die Ausgangsspannungs- und Stromcharakteristik der Stromversorgung auf einer granularen Ebene zu steuern.

USB Programmable Power Supply – Anwendungen

Eine häufige Anwendung, die eine granulare Steuerung von Spannung und Strom erfordert, wie sie das USB Programmable Power Supply bietet, ist das Laden von Akkus. In einer konventionellen Akkuladerauslegung wird eine Spannungsversorgung an eine Akkulade-Steuerschaltung angelegt und der Ausgang des Systems liefert die richtige Spannung und den richtigen Strom zum Laden des Akkus. Dies funktioniert gut, wenn die Spannungs- und Stromcharakteristik der Akkuladung genormt sind und somit die Akkuladeschaltung ein Standarddesign sein kann. Für Anwendungen, bei denen ein kundenspezifisches Spannungs- und Stromladeprofil für den Akku erforderlich ist, kann ein USB Programmable Power Supply die bessere Lösung sein. Mit USB Programmable Power Supply überwacht die Last den Status des Akkus und stellt Befehle für die Stromquelle bereit, sodass der Akku mit dem richtigen Spannungs- und Stromprofil aufgeladen wird. Es ist zu beachten, dass bei Verwendung einer USB-Programmable-Power-Supply-Konfiguration zum Laden des Akkus das Entwicklungsteam den Akkuladealgorithmus und die Schaltungen entwerfen, implementieren und testen muss, während bei Auswahl einer Standard-Akkuladeschaltung der Anbieter der Akkuladeschaltung die meisten oder alle dieser Aufgaben erledigt hat.

Fazit

Der USB-C-Stecker und die USB-Power-Delivery-Spezifikation stellen bedeutende Verbesserungen der USB-Normen dar. Während die Implementierung der vollständigen Norm stark verbesserte Systeme ermöglicht, können auch erhebliche Vorteile durch die Implementierung von nur Teilen der neuen Norm und des neuen Protokolls erzielt werden. Es wird erwartet, dass der USB-C-Stecker aufgrund der geringen Größe, des verbesserten Designs und der niedrigen Kosten des Steckers in vielen herkömmlichen 5-V-Power-Delivery-Anwendungen mit Laststromanforderungen von 5 A oder weniger eingesetzt wird.

Kategorien: Branchennachrichten, Produktauswahl

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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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