RICARICA PIÙ VELOCE PER GLI SMARTPHONE 5G CON L'ALIMENTAZIONE PROGRAMMABILE (PPS) DI USB TYPE-C^®

Fin dalla sua introduzione, avvenuta nel 1996, USB si è imposto come standard di riferimento per la comunicazione dati, la ricarica e l'erogazione della potenza per i dispositivi mobili. L'evoluzione più significativa ha avuto luogo nel periodo compreso tra il 2013 e il 2016 (Fig. 1), quando il comitato che si occupa della definizione delle specifiche USB ha ratificato:

1) USB3.1 Super Speed+ Gen 1 (5Gbps) e Gen 2 (10Gbps) per la comunicazione dati
2) Power Delivery 2.0, o PD, per l'erogazione di una potenza fino a 100W (20 V/5 A)
3) Connettore Type-C (revisione 1.2)

Il connettore Type-C, che prevede 24 contatti (disposti su due righe formate da 12 contatti ciascuna), è stato progettato per gestire potenza fino a 100 W (20 V/5 A) e si distingue per la sua compattezza dimensionale (l'altezza è pari a soli 2,4 mm). Tra le altre caratteristiche di rilievo da segnalare l'inserzione reversibile della spina e il rilevamento dell'orientamento dell'attacco, senza dimenticare il vantaggio legato all'opportunità di eliminare il classico groviglio di cavi “legacy”, una presenza sicuramente non gradita dalla maggior parte degli utenti.

Una potenza (reale) di 100 W

Il passaggio da un'erogazione di potenza per la ricarica di 7,5 W (USB3.0) a una potenza di 100 W (USB 3.1) rappresenta un'evoluzione sicuramente significativa. A questo punto ci si potrebbe chiedere l'utilità di disporre di una potenza così elevata considerando il fatto che la maggior parte dei dispositivi mobili utilizza caricabatterie con potenze comprese tra 15 e 45 W. Se dal passato è possibile ricavare alcune indicazioni su futuro, una di queste è sicuramente il fatto che 100 W di potenza saranno indispensabili per soddisfare in maniera adeguata le esigenze dei dispositivi prossimi venturi.

La ricarica e l'erogazione di potenza sono assimilabili alla legge della domanda e dell'offerta, uno dei fondamenti dell'economia politica. La relazione è tipo simbiotico, dove l'offerta non può crescere senza l'aumento della domanda, ma la domanda entra in stagnazione senza un incremento dell'offerta. L'incremento della potenza erogata da 7,5 W a 100 W significa molto semplicemente che una platea molto più vasta di dispositivi potrà essere alimentata tramite una connessione USB.

La negoziazione della potenza di USB-C PD

Prima dell'introduzione di USB 3.1 e del connettore Type-C, Un dispositivo per la ricarica USB identificava una porta di ricarica USB per mezzo di una segnalazione di assenza di dati (no data signaling) sui terminali D- e D+. Una metodologia di questo tipo è adatta nel caso di potenze fino a 7,5 W, ma nel momento in cui è necessario fornire in modo sicuro potenze fino a 100 W (20 V/5 A) tra una porta USB che fornisce potenza (USB source) e una porta USB che assorbe (o consuma) potenza (USB sink) è necessaria l'adozione di nuove metodologie.

Complessivamente, USB 3.1, PD 2.0 e il connettore Type-C prevedono un protocollo bidirezionale a filo singolo che utilizza la linea CC tra source e sink (Fig. 2) corredato da funzionalità di messaggistica complete. Una modalità di utilizzo di questa messaggistica PD (Power Delivery) è la negoziazione di un contratto di potenza. Contratti di questo tipo vengono negoziati in maniera del tutto analoga all'ordinazione del cibo dal menu di un ristorante. Un volta collegati source e sink con un contratto implicito (per una potenza di 15 W max.), se entrambe le porte supportano la funzionalità PD, è necessario stabilire un contratto esplicito, o contratto di potenza PD (per una potenza massima di 100 W).



Fig. 2 – Contratto di potenza PD di USB-C

Per garantire un corretto utilizzo, tutti i cavi di tipo C che supportano correnti maggiori di 3 A devono essere certificati mediante un chip integrato (e-marker, ovvero una marcatura elettronica). Di conseguenza, la prima operazione che una sorgente in grado di erogare una corrente maggiore di 3 A deve compiere nel momento in cui rileva la presenza di questo e-marker è trasmettere un messaggio SVID (“Discovery Identity”) a quest'ultimo. Source e sink rispondono a un pacchetto di dati denominato SOP (Start Of Packet) che si trova all'inizio del messaggio ricevuto. Al fine di evitare collisioni, un e-marker risponde a un SOP all'inizio del messaggio ricevuto.

Una volta che la sorgente ha stabilito se il cavo è in grado di supportare o meno una corrente superiore a 3 A, rende note le sue potenzialità in termini di tensione e di corrente, proprio come se si trattasse del menù di un ristorante. La porta sink, quella che deve assorbire potenza, a questo punto fa la sua richiesta, analogamente all'ordinazione di un cliente in un ristorante e se questa è accettabile, la sorgente fornisce la potenza concordata. Ogni volta che viene inviato un messaggio, il destinatario invia a sua volta un messaggio “Good CRC” al mittente, informando quest'ultimo che il messaggio è stato ricevuto senza errori.

PD 2.0 e PD 3.0: un confronto

La specifica PD 2.0 prevede un limite massimo di sette PDO (Power Data Object, in pratica i profili di potenza), utilizzati per indicare i valori di tensione e corrente (e quindi le potenze) disponibili alla porta sorgente, o i requisiti di potenza necessari alla porta che deve assorbire potenza, che vengono trasmessi all'interno di un messaggio di Power Delivery tramite il pin CC di USB Type-C. PD 3.0, per contro, mette invece a disposizione tutta una gamma di tensioni e correnti, come chiaramente evidenziato nella figura 3. Il vantaggio dell'alimentazione programmabile si concretizza nel fatto che la porta che consuma potenza (ovvero la porta sink) può richiedere valori di tensione e correnti molto più precisi (granularità fine) rispetto a quanto possibile con le precedenti specifiche PD 2.0 (in cui i valori erano fissi). Ciò in ultima analisi contribuisce a ottimizzare l'efficienza di ricarica tra source e sink.



Fig. 3 – Confronto tra PD 2.0 e 3.0

Capacità della batteria degli smartphone 5G

Uno smarphone 5G di ultima generazione, oltre all'ampio display da 6,9”, sarà dotato di una batteria a ioni di litio (Li-Ion) da 5.000 mAh, una capacità questa superiore del 25% rispetto a quella dei modelli della generazione precedente. In questo aumento della capacità (e quindi delle dimensioni) della batteria, la tecnologia 5G e le dimensioni del display giocano un ruolo importante. Un incremento del 25% comporta una richiesta di una maggior potenza dal TA (Travel Adaptor, ovvero dell'adattatore portatile) AC/DC, necessaria per poter continuare la supportare la funzionalità di ricarica veloce. Per conseguire tale obiettivo l'alimentazione programmabile (PPS) prevista da USB-C rappresenta senza dubbio l'opzione più valida.

Ricarica veloce

Solitamente la ricarica di una batteria a ioni di litio può essere eseguita in tutta sicurezza con un tasso , o velocità, di carica (C-rate) pari a 0,7 (dove C-rate rappresenta la corrente di carica divisa per la capacità della cella). Per chiarire il concetto, un tasso di carica di 0,7 per una cella di capacità pari a 1000 mAh equivale a una corrente di carica di 700 mA. Ma, come visibile dal grafico di figura 4, il TTC (Time To Charge, ovvero il tempo di ricarica) necessario per caricare una batteria scarica fino a uno stato di carica (SOC – State of Charge) del 50% è pari a circa 45 minuti. Nel caso il processo non venga giudicato abbastanza rapido, è sufficiente incrementare l'intensità della corrente per migliorare il TTC. Se si carica una cella con un C-rate pari a 1 quando nel datasheet è contemplato un C-rate pari a 0,7, la maggiore velocità di carica provocherà un invecchiamento prematuro della cella, se non addirittura un danno permanente. Andando ad esaminare i relativi datasheet, le celle a ioni di litio devono conservare almeno l'80% della loro capacità originale dopo un minimo di 500 cicli di utilizzo.

TTC più rapido equivale a una maggior potenza

Al fine di migliorare il TTC, i produttori di celle hanno progettato celle in grado di supportare un tasso ci carica maggiore di 1, ovvero una ricarica più veloce. Ciò comporta principalmente la riduzione dell'impedenza interna della cella, al fine di prolungare il tempo in cui il profilo di carica rimane nella modalità a corrente costante (CC- Constant Current), ipotizzando che la carica inizi quando la cella è completamente scarica, prima che la tensione della cella raggiunga il suo valore massimo e quindi il profilo di carica entri in modalità a tensione costante (CV – Constant Voltage). Come si può osservare esaminando sempre la figura 4, è possibile ridurre il TTC richiesto per passare da una batteria scarica a uno stato di carica del 50% di 15 minuti effettuando una carica con C-rate pari a 1 (invece di 0,7), mentre questo tempo si riduce a 22 minuti con un tasso di carica pari a 1,5. Tuttavia una C-rate pari a 1,5 per una cella da 5000 mAh richiede una corrente di carica di 7,5 A, mentre la potenza di carica di picco per la batteria è di 32,6 W (4,35 C v 7,5 A): si tratta di una quantità di potenza notevole assorbita in un ingombro ridotto.



Fig. 4 – Velocità di carica in funzione del tempo di carica

Anche senza conoscere gli effettivi profili di ricarica dei più recenti modelli di smartphone 5G, essi vengono forniti corredati da un caricabatteria PPS da 25 W e sono in grado di supportare accessori per la ricarica PPS da 45 W. Nel caso si utilizzi un TA da 45 W e si ipotizzi un'efficienza di trasferimento dalla presa alla batteria pari a circa l'80%, nella la batteria entrerà una potenza pari a circa 36 W. Si tratta di un valore non molto dissimile dai 32,6 W richiesti caricare la batteria da zero al 50% in circa 22 minuti (si faccia sempre riferimento alla figura 4).

A questo punto val la pena sottolineare che poiché per il connettore USB-C la corrente massima è di 5 A, per ottenere un valore di IBAT di 7,5 A è necessario ricorrere a una pompa di carica che effettua la “divisione per due” tra il connettore Type-C e il caricabatteria all'interno dello smartphone 5G (figura 5). Un esempio chiarirà questo concetto. Facendo l'ipotesi che l'adattatore fornisce una potenza di 40 W (10 V/4 A), la pompa di carica dividerà per 2 la tensione fornendo in uscita quindi 5 V e 8 A. In questo caso si ipotizza anche che le perdite di potenza siano ideali. Una ricarica di questo tipo viene definita ricarica HVLC (High Voltage, Low Current). Attingendo alle basi della fisica, la dissipazione di potenza è data dal prodotto I2R per cui esistono sicuri vantaggi in termini di efficienza nell'erogazione della potenza dal TA allo smartphone (utilizzando un cavo di lunghezza pari a 1 metro) in modalità HVLC piuttosto che in modalità LVHC (Low Voltage High Current). Poichè con l'avvento del connettore Type-C, la specifica USB PD prevede un incremento della tensione VBUS da 5 a 20 V, l'approccio HVLC risulterà senza dubbio semplificato.



Fig. 5 – Il ruolo della pompa di carica in uno smartphone 5G

Monitorare il traffico PD 2.0 di un laptop

Anche se potrebbe risultare impossibile misurare la corrente interna IBAT effettiva di uno smartphone 5G tra il caricabatteria e la batteria, è comunque possibile misurare la tensione (VBUS) e la corrente (IBUS) tra il TA e lo smartphone 5G con un analizzatore della potenza erogata (PD sniffer) di Total Phase. Prima di fare ciò è possibile analizzare il comportamento di VBUS e IBUS per PD 2.0 tra un laptop e la sorgente costituita dalla scheda di valutazione (EVB) FUSB3307 da 60 W riportata in figura 6.
In questa configurazione è stato utilizzato un cavo da 5 A tra il laptop (che in questo caso è il dispositivo che assorbe potenza in conformità a PD 2.0) e la sorgente costituita dalla scheda di valutazione FUSB3307 (conforme a PD 3.0). Lo sniffer di Total Phase è inserito in serie con la scheda di vautazione e il cavo da 5 A. Una volta collegata, la scheda illustra le sue disponibilità di potenza sotto forma di 4 PDO fissi e di 3 APDO (Augmented PDO) di tipo programmabile (ovvero PPS). Il laptop richiede il PDO fisso a 20 V/3 A, ma con soli 1,5 A di corrente massima. La scheda di valutazione accetta la richiesta del laptop e il contratto di potenza è così completato. Osservando i grafici di figura 7 si può vedere che VBAT (in rosso) sale con un andamento a gradino da 5 a 20 V e nel momento in cui inizia la ricarica del laptop (a partire da una batteria scarica) la corrente IBUS (in blu) aumenta in modo dinamico a un valore pari a circa 1,3 A, che corrispondono all'incirca a 30 W.



Fig 6 – Setup del laptop



Fig. 7 - Andamento di VBUS e IBUS durante la ricarica di un laptop

Monitoraggio del traffico di uno smartphone 5G in modalità PD 30 PPS

Si passi ora all'esame delle figure 8 e 9, dove il laptop è sostituito da uno smartphone 5G, mentre la sorgente è questa volta costituita da una scheda di valutazione FUSB3307 da 100 W conforme a PD 3.0 PPS. Lo smartphone 5G inizialmente richiede, e ottiene, un PDO fisso a 5 V ma circa 7 secondi dopo richiede, e gli viene concesso, un PDO PPS (da 3 a 21 V/ 5 A). Lo smartphone a questo punto si trova a gestire un vero e proprio algoritmo in base al quale ogni 210 ms incrementa tensione richiesta (in rosso) da 8 a 9,28 V, in passi da 40 mV, mentre la corrente assorbita (in blu) passa da 2 a 4 A (con un andamento a rampa) in un periodo pari all'incirca a 7 secondi. Lo smartphone 5G continua a comunicare con la sorgente (FUSB3307) durante l'intero processo di ricarica.



Fig. 8 – Setup dello smartphone 5G



Fig. 9 – Andamento di VBUS e IBUS durante la ricarica di uno smartphone 5G

Avvertimento di limitazione della corrente

Nel caso dell'erogazione di potenza (PD) la sicurezza è un aspetto da tenere nella massima considerazione. Facendo riferimento al grafico di figura 10, mentre la tensione richiesta alla sorgente (in rosso) dallo smartphone 5G passa da 8 a 9,28 V, punto in cui la corrente (in blu) raggiunge il massimo valore richiesto, pari a 4 A, la sorgente FUSB3307 da 100 W invia un messaggio di “Alert” al cellulare, informandolo che ha raggiunto il valore limite (CL – Current Limit) di 4 A.



Fig. 10 – Una volta raggiunto il valore limite di corrente previsto da PPS viene inviato un avvertimento

Confronto tra il traffico PD 3.0 (smartphone 5G) e PD 2.0 (laptop)

Il traffico PD 2.0, relativo quindi all'esempio precedente del laptop, sebbene efficace, è relativamente semplice. Una volta collegato, il contratto che prevede 20 V/1,5 A è negoziato e concesso nell'arco di un secondo, e da quel momento in poi non si osserva più alcun tipo di traffico relativo all'erogazione di potenza. Lo smartphone con alimentazione di tipo PPS si comporta invece in maniera completamente diversa. Lo smartphone si trasforma nel master preposto alla gestione di un complesso algoritmo e resta costantemente in contatto con la sorgente (ovvero FUSB3307) fornendole l'istruzione di cambiare la sua tensione di uscita in corrispondenza dell'aumento della corrente di carico della smartphone stesso. L'alimentazione di tipo PPS contempla una disposizione la quale prevede che una connessione debba restare aperta (Keep-alive timeout) dopo lo scambio di messaggi tra sink e source per un periodo massimo di 15 secondi. Di conseguenza, durante il funzionamento in modalità PPS, source e sink sono costantemente in comunicazione digitale attraverso il contatto CC.

La potenza di picco della combinazione smartphone 5G/FUSB3307 è pari a 37,68 W (9,6 V/3,925 A) e si manifesta circa 60 secondi dopo la connessione della scheda. Si tratta di un valore abbastanza prossimo a quello della potenza stimata per caricare la batteria con una velocità di carica pari a 1,5, ovvero 32,6 W assorbiti dalla batteria, che permette di ottenere una batteria carica al 50% a partire a una batteria scarica in un tempo pari a circa 22 minuti.

Ricarica veloce efficiente e PPS

Come accennato all'inizio dell'articolo, la necessità di ricorrere a batterie di maggiore capacità per gli smartphone è ascrivibile in larga misura agli schermi di più ampie dimensioni e alla tecnologia 5 G: se a ciò si abbinano le aspettative degli utilizzatori di una ricarica veloce, appare chiara la necessità di dover disporre di TA in grado di erogare potenze maggiori che arrivano fino a 45 W. Questo aumento di potenza comporta inevitabilmente un incremento della dissipazione di potenza sotto forma di calore. L'efficienza diventa quindi un parametro critico ed è qui che entra in gioco l'alimentazione programmabile.

Esaminando la figura 11, che riporta un generico schema a blocchi della ricarica con adattatore a parete (wall-to-battery”) di una batteria a ioni di litio, si evince chiaramente che l'obiettivo è fornire potenza al sistema , attraverso il PMIC e, in parallelo, caricare la cella 1S dallo stato di scarica(circa 3 V) alla carica massima (4,35 V) attraverso il FET presente sul percorso della potenza. Indipendentemente dal tipo di tecnologia utilizzata (a commutazione, lineare o bypass), il caricabatteria opererà sempre con una maggiore efficienza se la sua tensione di ingresso (B) sarà leggermente superiore rispetto alla sua tensione di uscita (C) o VBAT. Un ulteriore elemento di complessità è dovuto al fatto che il valore di VBAT è variabile a causa dei seguenti due motivi:

1) La tensione della batteria aumenta durante il processo di carica
2) La tensione della batteria aumenta e diminuisce al variare del carico asincrono.

Al fine di ottimizzare l'efficienza, la tensione di uscita (A) del TA deve essere controllata in modo accurato dalla MCU del dispositivo sink (in questo caso il dispositivo mobile che assorbe potenza) che diventa il master dell'algoritmo di ricarica. Tra la lettura del valore di VBAT tramite l'indicatore del livello di carica e il rilevamento della tensione di uscita (VOUT) della pompa di carica, il “Policy Manager” della MCU può controllare in maniera accurata la tensione di uscita (VOUT) del TA con la messaggistica del protocollo PD attraverso il pin CC, con una granularità di 20 mV.

Con l'aggiunta della funzionalità PPS, i dispositivi mobili possono ora caricare la batteria più velocemente, in modo più sicuro e con una maggiore efficienza. La scheda di valutazione FUSB3307 di ON Semiconductor è in grado di supportare il sofisticato algoritmo di ricarica PPS degli odierni smartphone 5G.



Fig. 11 – Schema di una ricarica veloce efficiente

Scheda di valutazione FUSB3307 con ingresso in continua

La scheda di valutazione (EVB) FUSB3307 (Fig. 12), in grado di accettare un ingresso in continua (DC) compreso tra 4,5 e 32 V e fornire in uscita i valori di tensione compresi tra 5 e 20 V previsti da USB PD, è conforme alle specifiche PD 2.0 e PD 3.0 e supporta la funzionalità PPS. FUSB3307 è un controllore PD basato su una macchina a stati e un controllore della porta Type-C. Di conseguenza non è richiesto alcun sviluppo firmware né una MCU. Poichè non è necessario lo sviluppo firmware è possibile evitare eventuali tentativi di manomissione, un fattore questo particolarmente critico in parecchie applicazioni, come ad esempio quelle medicali. L'unica operazione da fare è saldare il componente, dopodiché inizierà a funzionare in modo autonomo. La macchina a stati di FUSB3307 include la funzionalità di “Policy Manager” per l'erogazione della potenza e controlla il convertitore buck-boost (sempre prodotto da ON Semiconductor) pilotando l'ingresso Comp con il pin di uscita CATH di FUSB3307. FUSB3307 controlla in modo autonomo il FET che gestisce VBUS.



Fig. 12 – Scheda di valutazione FUSB3307 con ingresso in continua

Scheda di valutazione FUSB3307 con ingresso in alternata

Il dispositivo FUSB3307 può anche essere utilizzato come sorgente conforme a PD 3.0 con un ingresso in alternata (AC). FUSB3307 è un controllore della porta USB-C PD 3.0 che regola la tensione VBUS (da 5 a 20 V) controllando l'ingresso FB di NCP1568 con la propria uscita CATH attraverso l'opto-accoppiatore FODM8801BV. Anche in questo caso, FUSB3307 controlla in modo autonomo il FET di VBUS.

Considerazioni conclusive

La nuova funzionalità PPS mette a disposizione tutte le caratteristiche richieste in termini di potenza, sicurezza ed efficienza.

L'elevata precisione nel controllo della tensione e della corrente prevista dal protocollo PPS della specifica PD 3.0 di USB-C fino a una potenza di 100 W (20 V/5 A) consente di effettuare in maniera molto efficiente la ricarica veloce (da batteria scarica a un livello di carica del 50% in circa 22 minuti) degli attuali smartphone 5G. L'alimentazione programmabile consente anche di implementare un'architettura dell'anello di controllo “wall to battery”, dove il dispositivo che assorbe potenza diventa il master di un algoritmo di ricarica sofisticato e sicuro e il TA “intelligente” riveste i panni dello slave, che utilizza il protocollo bidirezionale su filo singolo della linea CC del connettore Type-C. La sorgente PPS opera, per default, in modalità a tensione costante (CV mode) o a limitazione di corrente (CL – Current Limit) e notifica il cambio di modalità al dispositivo che sta ricevendo potenza mediante l'invio di un messaggio di avvertimento. L'adozione da parte dei più importanti produttori di smartphone 5G del protocollo PPS è un segno tangibile della validità di questo approccio.




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