Ladegeräte Bis 240 W Ladeleistung über USB-C-Anschluss

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Infineon Technologies AG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Das Laden energiehungriger Geräte soll über USB-C künftig bis 240 W möglich sein. So will es das USB Implementers Forum. Notwendig dazu sind geeignete Power Designs, für die Infineon den Combo-Controller-IC XDPS2221 entwickelt hat. Dieser kombiniert eine AC/DC-Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und eine DC/DC-Hybrid-Flyback-Stufe in einem Gehäuse.

USB-Power-Delivery (USB-PD) ist mittlerweile der gängige Standard für schnelles Laden und für die Stromversorgung von mobilen und batteriebetriebenen Geräten, die den USB-Typ-C-Stecker verwenden. In der neuesten Ausgabe USB-PD Rev. 3.1 unterstützt die Spezifikation Extended-Power-Range einen breiten Ausgangsspannungsbereich und hohe Ausgangsleistung. Getrieben wird der Markt für Adapter und Ladegeräte durch eine Vereinheitlichung der elektrischen und mechanischen Spezifikationen und höherer Ausgangsleistung, kombiniert mit kleinen Abmessungen und niedrigen Systemkosten.

Von Infineon gibt es dazu den XDP Digital Power Controller XDPS2221. Es ist ein hochintegrierter Combo-Controller-IC für USB-PD-Anwendungen mit hoher Leistung. Untestützt wird ein weiter Eingangsspannungsbereich sowie Ausgangspannungen bis 28 V.

Der Controller kombiniert eine AC/DC-Leistungsfaktorkorrektur mit einer DC/DC-Hybrid-Flyback-Stufe (auch bekannt als asymmetrische Halbbrücke), in einem Gehäuse. Durch den abgestimmten Betrieb der beiden Stufen können die gesetzlichen Anforderungen an den Wirkungsgrad problemlos erfüllt werden, betont Infineon, die Integration aller Gate-Treiber und einer 600-V-Start-up-Zelle für die Spannungsversorgung des ICs sowie die zertifizierte und sichere Entladung des X-Kondensators ermöglichen eine deutliche Reduzierung der Schaltungskomponenten.

Die Funktion des Power Controllers XDPS2221

In Verbindung mit GaN-basierten Leistungsschaltern ermöglicht diese Zero-Voltage-Switching-Topologie einen exzellenten Wirkungsgrad unter verschiedenen Netz- und Lastbedingungen. Aufgrund dieser Eigenschaften und der inhärenten Topologievorteile (etwa Nullspannungsschalten und resonanter Energieübertragung zur Reduzierung des Volumens des Transformators) können System-Designs außerordentlich hohe Leistungsdichten erreichen, heißt es. Die integrierte PFC-Funktion ist optional auch deaktivierbar, um den Einsatz eines externen PFC-Controllers zu ermöglichen.

Der Combo-IC besitzt zusätzlich einen synchronisierten PFC- und HFB-Burst-Mode, der für eine möglichst niedrige Standby-Leistung sorgt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades wird die quasiresonante Multimode-PFC-Stufe je nach Leistungsbedarf automatisch aktiviert und deaktiviert. Darüber hinaus ist der Controller zur weiteren Wirkungsgrad-Optimierung mit einer adaptiven PFC-Busspannungsregelung ausgestattet.

Die Hybrid-Flyback-Stufe arbeitet nach dem Prinzip der Spitzenstromregelung für ein schnelles und dynamisches Lastverhalten. Um den ZVS-Betrieb unter allen Bedingungen zu ermöglichen, werden im diskontinuierlichen Betrieb ZVS-Pulse eingefügt, die einen Rückwärtsstrom in der Body-Diode verhindern. Darüber hinaus lässt sich der XDPS2221 über eine grafische Bedienoberfläche einfach konfigurieren, womit das komplette Systemverhalten optimiert werden kann.

Hintergrund & Marktentwicklung

Der Standard USB-C Power Delivery (USB-PD) hat sich als Technologie der Wahl für Geräte zum Schnellladen mit einer Ausgangsleistung von bis zu 100 W etabliert, weiß Infineon. USB-C PD-Lösungen eignen sich für alle Arten von Mobilgeräten wie Smartphones, Tablets, Laptops, intelligente Lautsprecher, Fernsehgeräte und vieles mehr. USB-PD Rev. 3.1 ist die jüngste Version des Standards und wartet sogar nochmal mit einer Erhöhung der maximalen Ladeleistung bis 240 W auf.

USB-C macht Ladevorgänge für den Endanwender einfacher und in Verbindung mit den inzwischen verfügbaren GaN-Bausteinen und höheren Schaltfrequenzen ermöglicht diese Technologie die Entwicklung von kompakteren und leichteren Ladegeräten und Netzteilen.

Da bei immer mehr Erstausrüstern (OEMs) Ladegeräte bzw. Netzteile nicht mehr zum Lieferumfang ihrer Geräte gehören, ist die Nachfrage der Endanwender nach geeigneten Zubehörprodukten enorm gestiegen. Dies hat für einen kräftigen Aufschwung bei der Entwicklung von Ladegeräten mit mehreren Anschlüssen, wie den Typen 1A1C oder 2C gesorgt, wobei 1A1C für ein Ladegerät mit einem USB-A-Anschluss und einem USB-C-Anschluss steht. Analog hat ein Ladegerät vom Typ 2C zwei USB-C-Anschlüsse. Der Baustein EZ-PD CCG7D ist ein IC speziell für USB-Hubs mit zwei Anschlüssen. Er verfügt über zwei Abwärts-/Aufwärtswandler und lässt sich zur Implementierung einer Lastausgleichsfunktion uneingeschränkt programmieren. In den Anwendungshinweisen zum Referenz-Design für Ladegeräte mit zwei Anschlüssen von Infineon gibt es detaillierte Schaltbilder für solche 2-Port-USB-Hubs. Zur Nutzung der höchstmöglichen USB-PD-Nennleistung sind spezielle E-Mark-Kabel erforderlich, die für Ströme bis 5 A geeignet sind. Bei Standardkabeln liegt die Obergrenze bei 3 A.

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