فهم توصيل الطاقة عبر USB 3.2

[ad_1]

مع تقدم التكنولوجيا، تحتاج الأجهزة المختلفة وتنسيقات الوسائط ووحدات التخزين ذات الأسعار المعقولة إلى نطاق ترددي أكبر بكثير للحفاظ على التجربة التفاعلية التي اعتاد عليها المستخدمون. علاوة على ذلك، تتطلب تطبيقات المستخدم اتصالاً أكثر كفاءة وأسرع بين الكمبيوتر الشخصي وهذه الأجهزة الطرفية المتقدمة بشكل تدريجي. تلبي مواصفات USB-PD 3.2 هذا المطلب من خلال دمج سرعات نقل أسرع للتوافق مع متطلبات التطبيقات والأجهزة الحديثة.

بناء على محاضرة¹ تم تقديم هذه المقالة في حدث APEC 2024 في فبراير، وتركز على الآثار المترتبة على أنظمة المصدر والمصارف لآخر تحديث لمواصفات USB-C وUSB Power Delivery. سوف نتعمق في متطلبات مصدر الجهد القابل للتعديل (AVS) الجديد وتأثيرها على أنظمة الطاقة لكل من جانب المصدر (الشاحن) والمغسلة (الجهاز).

التحديثات الرئيسية لـ USB-PD 3.2

تعد متطلبات AVS وتخفيف التآكل بمثابة التحديثات الرئيسية لمواصفات USB-C وUSB-PD.

يعد AVS إلزاميًا لنطاقات معينة لتوصيل الطاقة (27-100 واط) في USB-PD 3.2. تسمح هذه القدرة للشاحن بضبط خرج الجهد الكهربي ليتوافق بشكل أفضل مع احتياجات الجهاز، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الشحن.

بالإضافة إلى ذلك، مع التحديث الأخير، تتضمن مواصفات USB-C الآن إرشادات لاكتشاف وتخفيف الأضرار الناجمة عن دخول السائل إلى الموصل. كل من هذه الميزات لها آثار على أنظمة الحوض والمصدر.

قواعد الطاقة USB-PD

قبل USB-PD 3.2، كانت الفولتية المطلوبة التي يمكن أن يوفرها المصدر تعتمد على تصنيف الطاقة الخاص به. على سبيل المثال، قد يحتاج المصدر ذو التصنيف الأقل من 100 واط فقط إلى توفير جهد يصل إلى 20 فولت، مع احتمال أن يحده الكابل إلى 20 فولت أو أقل. بالإضافة إلى ذلك، كان التيار المطلوب ببساطة هو معدل طاقة الجهاز مقسومًا على الجهد الكهربي المقدم.

يوضح الشكل 1 الفولتية التي يجب أن يكون المصدر ذو تصنيف طاقة معين قادرًا على توفيرها وفقًا لقواعد طاقة USB-PD R3.1. يمكننا أن نرى أنه للحصول على طاقة أقل من 100 واط، يتطلب الأمر أربعة فولتات فقط (5، 9، 15 و20 فولت).

يمكن حساب التيار المطلوب عن طريق قسمة تصنيف PDP على مستوى الجهد. يمكن تحقيق أقصى تيار يبلغ 5 أمبير، على الرغم من أن الكابل قد يحده إلى 3 أمبير.

يقدم USB-PD R3.2 تغييرات مهمة. في حين أن التيار المطلوب هو نفسه الموجود في R3.1، فإن AVS مطلوب الآن لنطاق الطاقة القياسي (SPR). هناك منطقتان AVS في SPR:

• 27 واط ≥ PDP ≥ 45 واط: يمكن ضبط الجهد من 9 فولت إلى 15 فولت في خطوات 100 مللي فولت. وهذا يعني أن هناك 59 خيارًا للجهد أكثر من R3.1.
• 45 واط ≥ PDP ≥ 100 واط: يمكن ضبط الجهد من 9 فولت إلى 20 فولت في خطوات 100 مللي فولت. وهذا يعني أن هناك 108 خيارات جهد أكثر من R3.1.

AVS وPPS

إذا أخذنا في الاعتبار أيضًا خيار مصدر الطاقة القابل للبرمجة (PPS)، كما هو موضح في الشكل 2، فيمكننا أن نرى أنه يبدأ الآن من 5 فولت على الأقل (في المواصفات السابقة، كان 3.3 فولت)، وله خطوات مختلفة ( 20 مللي فولت) من AVS.

تجدر الإشارة إلى أن شواحن USB (المصادر) قد تتضمن أو لا تتضمن PPS. تعتمد منظمة USB-IF “أجهزة الشحن السريعة” مع PPS و”الشواحن” العادية بدون PPS. ومع ذلك، إذا كان شاحن USB يدعم PPS، فيمكنه بسهولة إضافة AVS.

إذا كان PPS متاحًا، فسيتم شحن بعض المنتجات الغارقة بشكل أسرع. بالنسبة لأجهزة الشحن التي لا تنفذ بالفعل PPS، يعد AVS تغييرًا كبيرًا.

التأثير على أنظمة المصدر والمصارف

خلاصة القول، يجب الآن على المصادر ذات معدلات الطاقة التي تتراوح بين 27 واط و100 واط أن تقوم بتطبيق AVS، مما يتطلب تعقيدًا إضافيًا للأجهزة. يمكن أن يكون هذا تغييرًا كبيرًا بالنسبة لتطبيقات الشاحن الأبسط التي لا تدعم بالفعل PPS.

بالنسبة للشواحن متعددة المنافذ، هناك بنيات مختلفة يجب مراعاتها (الشكل 4):

• السعة المؤكدة: يوفر الجهاز باستمرار نفس مستوى الطاقة على جميع منافذه، بغض النظر عن الأجهزة المتصلة.
• السعة المشتركة: يمكن لوحدة التحكم PD إجبار الحوض على تقليل طلب الطاقة إذا أصبحت الطاقة غير متوفرة لأي سبب من الأسباب، مثل أن تكون مطلوبة من قبل منفذ آخر أو تعزيز الإدارة الحرارية.

يظهر الشكل 4 مثالًا لشاحن متعدد المنافذ. هنا، إجمالي الطاقة المتاحة في كلا المنفذين أقل من 60 وات. يتم تحديد خوارزمية المشاركة بواسطة المنفذين. مطلوب طاقة لا تقل عن 7.5 واط لكل منفذ.

تكتسب أجهزة الشحن ذات السعة المشتركة شعبية بسبب النقص المتكرر في استخدام منافذ الشحن الموجودة على أجهزة الشحن. يمكن أن يؤدي استخدام المنافذ المستخدمة حاليًا إلى توفير طاقة متزايدة لتجربة مستخدم محسنة.
في بعض إعدادات درجة الحرارة، مثل شحن USB-C داخل السيارة، حتى الشاحن ذو السعة المؤكدة قد يقلل أحيانًا من مقدار الطاقة التي يمكن الوصول إليها.

بالطبع، يمكن أيضًا للحوض (الجهاز) الاستفادة من الشحن الأسرع في حالة توفر شاحن مزود بـ AVS. ومع ذلك، لا يزال يتعين تصميمه ليعمل مع أجهزة الشحن القديمة التي لا تدعم AVS.

قد تتطلب بعض تطبيقات المصدر والمغسلة أنواعًا محددة من محولات التيار المستمر/التيار المستمر، اعتمادًا على احتياجات الجهد الكهربي ومتطلبات الوظائف.

يسمح التسامح المحدد لـ USB-C بـ 4.75 فولت عند الطرف المصدر للكابل. ولكن نظرًا لأن USB-C يسمح بانخفاض 0.75 فولت من الأشعة تحت الحمراء عندما يكون تيار VBUS 3 درجات، فقد يرى الحوض ما يصل إلى 4.0 فولت، عندما يكون VBUS الاسمي = 5 فولت. ومع ذلك، إذا كان الحوض يتطلب أقل من 4.0 فولت، فستكون التكلفة أقل من 4.0 فولت. مطلوب محول تيار مستمر/تيار مستمر. بخلاف ذلك، يمكن استخدام محول باك/تعزيز DC/DC (يفضل أن يوفر بعض الميزات الإضافية، مثل الشحن البطيء).

يمكن أيضًا استخدام محولات باك/تعزيز DC/DC ومحولات باك/تعزيز في تطبيقات المصادر، مع تفضيل باك/تعزيز لتحسين الأداء الحراري والكفاءة.

تآكل

يمكن أن تؤدي السوائل إلى تآكل موصل USB، وبالتالي تكون مصدرًا للخطأ أو التلف المحتمل. كما هو موضح في الشكل 5، قد يؤدي غمر قابس الكابل وإخراجه من السائل، ومن ثم إدخال قابس الكابل في المقبس، إلى حدوث ضرر للمقبس. على يمين الشكل 5، يمكننا رؤية الغلاف الخارجي بعد إزالته من الوعاء.

تجدر الإشارة إلى أنه بالانتقال من USB-A 2.0 إلى USB-C، تم تقليل التباعد بين الدبوس بمقدار 6× وأن USB-C لديه مسافة 0.5 مم. تتضمن مواصفات USB-C الآن تعليمات لتحديد وتقليل تأثير الضرر الناتج عن السوائل.

يقدم إدخال AVS في USB-PD 3.2 مزايا وتحديات لتصميم نظام الطاقة في كل من أجهزة الشحن والأجهزة. يوفر AVS سلوكًا عالميًا، حيث يسمح AVS بتصميم الأجهزة لجهد معين، مع العلم أن شواحن USB-PD 3.2 يمكن أن توفر هذا الجهد لتحقيق كفاءة الشحن المثالية. ومن خلال مطابقة خرج الجهد الكهربي مع احتياجات الجهاز، يمكن لـ AVS أن يقلل من فقدان الطاقة أثناء الشحن.

في حين أن AVS يمكنه تحسين كفاءة الشحن، إلا أنه يضيف تعقيدًا للنظام. يعد فهم هذه التغييرات أمرًا بالغ الأهمية للمهندسين الذين يقومون بتطوير المنتجات التي تتوافق مع أحدث مواصفات USB-PD.

مرجع

¹ووترز، د. (2024). “الآثار المترتبة على نظام الطاقة لتوصيل الطاقة USB الجديد 3.2.” تكساس إنسترومنتس، مؤتمر إلكترونيات الطاقة التطبيقية (APEC).

ظهر المنشور فهم توصيل الطاقة عبر USB 3.2 لأول مرة على Power Electronics News.

[ad_2]