Der programmierbare RTQ7880 Power-Management-Baustein von Richtek erfüllt heutige und zukünftige Anforderungen an USB Type-Automobil-Ladesysteme
Ladepunkte im Auto wurden ursprünglich lediglich zum Laden von Mobiltelefonen konzipiert. Ein einfacher Buck Converter reichte aus, einen einzelnen Anschluss mit unter 15 Watt zu versorgen. Durch den rasant wachsenden Bedarf, Geräte mit höheren Leistungen wie Tablets und Laptops zu laden und der breiten Akzeptanz von Type-C Verbindungen in den neuen Generationen dieser Geräte, ist der Einsatz von USB-C zur Stromversorgung über Auto-Ladesysteme nur eine Frage der Zeit, Bild 1. Bild 2 zeigt die unterschiedlichen Steckverbindungen herkömmlicher USB und neuer USB Type-C Anschlüsse.
Axel Krepil, Geschäftsführer der ViMOS Technologies GmbH, Taufkirchen, dem europäischen Distributor von Richtek, erläutert zur Thematik USB-C zur Stromversorgung in Auto-Ladesystemen folgendes: „Richtek bietet mit dem RTQ7880 den weltweit ersten integrierten IC, der einen USB Type-C Power Delivery (PD) und einen Buck- Boost-Controller kombiniert, was zu einer wirklichen Ein-Chip-Lösung für die neue Generation von Auto-Ladesystemen hoher Leistung führt. Ausgestattet mit großer Leistung, hoher Effizienz, hoher Leistungsdichte und Flexibilität und umfangreichen Schutzfunktionen, ist der RTQ7880 Baustein bereit, heutige und zukünftige Anforderungen der Auto-Ladegeräte zu erfüllen. Wir freuen uns, unseren Kunden diesen herausragenden Power-Management IC ab sofort anbieten zu dürfen.“ Die RTQ7880-Funktionalität wird in Blockschaltbild 1 gezeigt.
Die Hinzunahme der Power-Delivery-Funktion bringt neue Anforderungen an existierende Auto-Ladesysteme. Die erforderliche Ausgangsleistung und Dichte steigen drastisch: Während herkömmliche Ladungsschnittstellen 7,5 W oder 15 W nur im Step-Down (spannungssenkend) Modus bereitstellen mussten, liefern die neuen Power Delivery Schnittstellen Leistungen bis 100 W bei großen Ausgangsspannungsbereich. Das erfordert hocheffiziente Step-Down/Step-Up Leistungsumwandlung mit sorgfältig entwickelten thermischen Eigenschaften und Schutzfunktionen, Bild 3. Der RTQ7880 nutzt eine hocheffiziente Full-Bridge Buck-Boost Topologie, mit übergangsloser Buck-Boost Umschaltung und programmierbarer Frequenz zur Effizienzoptimierung. Die thermischen Abtastfähigkeiten des RTQ7880 ermöglichen programmierbare Leistungsreduktion beim Überschreiten von Temperaturlimits. Die Eingangsspannung und der Eingangsstrom des RTQ7880 können zur automatischen Leistungsreduzierung genutzt werden, falls der Ladezustand der Autobatterie gering sein sollte.
Etliche Funktionen wurden dem USB Type-C PD-Standard hinzugefügt, seit er 2012 verabschiedet wurde. Ausgehend von fixen Ausgangsspannungen von 5V/9V/15V/20V enthält der neueste PD 3.0 Standard jetzt eine programmierbare Spannungsversorgung (Programmable Power Supply, PPS), was einen breiteren Ausgangsspannungsbereich von 3.3V bis11V, 3.3V bis 16V und 3.3V bis 21V, für 27W, 45W mit jeweils 60W/100W Ausgangsleistung erfordert. Die Ausgangsspannung und der Strom müssen in Schritten von 20mV bei 50mA pro Schritt programmierbar sein. Bild 4 zeigt Leistungsbeispiele eines USB Type-C Ladegeräts.
USB PD PPS kann für allgemeine Direct-Charge- und Direct-Charge-Systeme mit einem Teiler von 2 genutzt werden und wurde in MediaTeks PE4.0 und Qualcomms QC4.0 Ladestandards übernommen.
Richtek, als Mitglied des USB-Implementers-Forum, hat den RTQ7889 für hohe Flexibilität entwickelt: Die integrierte ARM MCU und der vollständig programmierbare PWM-Block aktivieren eine spezielle AnyPowerTM Funktion, die die neue USB PD 3.0 Spezifikation mit den PPS-Vorgaben erfüllen. Außerdem enthält der RTQ7880 eine große Zahl von hardware-gesteuerten Schutzfunktionen, die das System komplett PDSafeTM machen. AnyPowerTM und PDSafeTM sind in Bild 5 dargestellt. Für Ladesysteme die herkömmliche, nicht USB-C Geräte, unterstützen müssen, sind im RTQ7880 Sensorschaltungen für die USB-Datenleitung enthalten, die BC 1.2, QC2.0 und QC3.0 und Modi für Apple-Geräte detektieren können.
Die RTQ7880 MTP Memory Firmware kann mithilfe der USB-Schnittstelle aktualisiert werden. Das Szenarium in Bild 6 verknüpft eine Richtek I2C-Brücke mit dem USB-C Port. Das Update für das MTP Memory wird dann mittels spezifischer I2C Kommandos über die D+/D- Linien durchgeführt. Ein anderes Szenario in einer USB-C-Schnittstelle mit Daten-System könnte sein, die Head Unit an den RTQ7880 Slave I2C für Firmware-Updates anzubinden. Das Online-Firmware-Update-Feature macht die RTQ7880 Ladegeräte-Applikation zukunftssicher.
Bei Ladevorgängen in einem Fahrzeug für Geräte mit höherer Leistung wie Tablets und Notebooks, werden höchstwahrscheinlich auch die hinteren Fahrgäste ihre Geräte laden. Bei höheren Ladeströmen können lange Kabel unerwünschte Spannungseinbrüche verursachen. Der RTQ7880 hat eine programmierbare Kabel-Spannungsabfall-Kompensationsfunktion mit neun-Stufen, die die Ausgangsspannung basierend auf dem Ladestrom justiert. Der Spannungskompensationswert ist an verschiedene Kabellängen anpassbar. Das Ergebnis ist eine Ladespannung am Ladekabelende die weniger als ±50mV vom Ladestrom abweicht. Die Bilder 7 und 8 erläutern dieses Feature.
Der RTQ7880 hat etliche GPIO Pins die für verschiedene Funktionen genutzt werden können: LED Anzeige, Firmware-Einstellungsanwahl oder Kommunikation mit anderen Bausteinen: Zum Beispiel können die GPIOs in einem System mit Doppel-Lade-Port dazu genutzt werden, beide Port-Controller miteinander kommunizieren zu lassen.
Richtek hat drei TCPC USB-C PD und PWM-Controller Bausteine für Fahrzeug-Ladegeräte im Programm: RT7880BGQW (Consumer-Klasse, nur Buck), RT7880GQW (Consumer-Klasse Buck-Boost) und RTQ7880GQW-QT Buck-boost (Automotive AEC-Q100 Klasse-2 in Wettable-Flank-QFN-Gehäuse), die Typen und Gehäuse werden in Bild 9 gezeigt. In Bild 10 sind die Schlüssel- und Leistungsfunktionen zusammengefasst.
Zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses mit den Produkten der RTQ7880 Familie liefert Richtek Tools sowie Entwicklungsschriften, wie zum Beispiel die Applikationsschrift ‘‘Introduction to Richtek USB Type-C Power Delivery Solutions’’ und weitere Dokumente zu USB PD Lösungen.
Axel Krepil führt dazu aus: „Natürlich erhalten unsere Kunden bei Bedarf technische Unterstützung im Designprozesses und durch enge Zusammenarbeit mit Richtek versetzen wir unsere Kunden in die Lage, ihre Entwicklungen schnellstmöglich zu realisieren. Dabei helfen wir auch bei der Lösung qualitätsrelevanter Aufgaben.“ „Wir bei ViMOS sind von den Richtek-Lösungen sehr begeistert, denn Richtek entwickelt zukunftsorientiert und verbessert seine Power Management Lösungen für verschiedene USB Type-C Power Delivery Applikationen kontinuierlich, von Type-C Power-Adaptern, Auto-Ladegeräten, Display, Power Banks, Kabel IDs bis zu voll funktionsfähigen Dual-Role-Power-Anwendungen, wie sie in Notebooks benötigt werden.“
