Растущая роль USB-C в управлении питанием для носимых и мобильных устройств

Потребление энергии остается главной препятствием для мобильных технологий. Хотя USB-C изначально был зачат как ориентированный на данные разъем, сейчас он становится предпочтительным решением управления питанием в портативных устройствах.

По мере того как смартфоны, носимые устройства, фитнес-трекеры, планшеты и ноутбуки становятся более интеллектуальными, их энергобюджеты расширяются. Даже с агрессивными техниками экономии батареи многие из этих устройств разряжаются за несколько часов полноценного использования, заставляя пользователей снова искать зарядку. Дизайнерам поэтому необходимо точно оценивать энергетические потребности и проектировать высокоэффективные схемы управления питанием.

В архитектуре беспроводной зарядки требуемая зарядная мощность является критическим параметром. Полученная мощность зависит от переданной мощности, расстояния, связи между передающей и принимающей катушками и толерансов обеих катушек. Быстрая зарядка — ключевой дифференциатор на рынке потребительской электроники, поэтому производители неумолимо преследуют более короткие времена перезарядки.

USB-C обеспечивает быструю перезарядку, ультрабыструю передачу данных и поддерживает аудио-видео выход через HDMI, VGA и DisplayPort. Он стремительно становится отраслевым стандартом для широкого спектра устройств.

Однако эта удобность несет цену для дизайнеров: создание USB-Type-C разъема, который совместим, обратим и полностью интероперабелен со всеми существующими портами, представляет значительные инженерные вызовы.

Рисунок 1: SM58IP04 одночиповое решение

Silicon Mitus предлагает четыре семейства продуктов, обслуживающих мобильную электронику, LCD/OLED дисплеи и зарядные аксессуары. Их портфель включает PMIC для батарей смартфонов и быстрой зарядки, полные USB-Type-C модули, беспроводные зарядные устройства, дисплей-специфичные PMIC и аудио-продукты такие как Class-D усилители и высокопроизводительные кодеки.

«Мы отправили более 3,5 миллиардов IC по этим рынкам», — говорит Ём Хё, CEO Silicon Mitus, сеульского специалиста по аналоговым IC. «Мы также расширяемся в автомобильные PMIC и инфотеймент аудио-модули, включая управление питанием для систем задних камер, заменяющих зеркала.»

Silicon Mitus недавно запустила SM58IP04: одночиповый buck-boost USB-Type-C узкий V_DC (NVDC) зарядник, спроектированный для 2S/3S и 4S батарейных конфигураций. Он доставляет до 95% эффективности в обоих buck и boost режимах, обеспечивая токи зарядки батареи до 6 А благодаря передовым тепловым управлению.

«SM58IP04 быстро принята в вычислениях, доставляя выдающуюся производительность с компактным PCB фуутпринтом и экономией затрат», — отмечает Джанфранко Скерини, VP Business Development. «Он объединяет многоячеисточную зарядку батареи с полной поддержкой USB-Type-C и PD.»

Стандарт USB-Type-C отвечает рыночным требованиям доставки питания и высоких скоростей данных, предлагая обратимый разъем. USB-Type-C Power Delivery (PD) поддерживает токи до 5 А при 20 В, доставляя до 100 Вт мощности — идеально для ноутбуков и высокопроизводительных периферийных устройств. Надежная защита необходима для избежания повреждений на этих уровнях.

«Наш фокус на высокоэффективной buck-boost топологии и агрессивной интеграции окупился», — говорит Скерини. «Клиенты ценят единое решение, которое обрабатывает USB-Type-C путь питания и зарядку батареи. С SM58IP04 каждый USB-Type-C порт ведет себя идентично, предоставляя гибкость дизайна по форм-факторам. Спецификация PD 3.0 разблокирует способность договариваться об произвольных комбинациях напряжение-ток, прокладывая путь до 100 Вт мощности.»

Тепловое управление остается главным барьером для энергосберегающих дизайнов. Продвижение производительности устройств повышает ставки для рассеивания тепла. Для полупроводниковых производителей качество упаковки определяет тепловое рассеивание и общую системную надежность.

«Тепловое управление критично, особенно когда потребители требуют более тонкие, безвентиляторные ноутбуки», — говорит Хё. «Мы должны держать устройства в безопасных температурных пределах, сохраняя комфорт пользователя.»

Когда устройство подключается к зарядке, цель — доставить максимально возможную мощность к батарее быстро. В ноутбук и Chromebook приложениях зарядки часто поставляют 45–65 Вт. Любая потеря эффективности превращается в тепло; даже 0,5% падение может рассеивать полватта на крошечной площади PCB, повышая локальную температуру.

Рисунок 2: Схема разводки для SM58IP04 одночипового решения

Дизайнерам поэтому необходимо приоритизировать высокоэффективные архитектуры, обеспечивающие точное управление и снижение потерь мощности, сохраняя долговечность и производительность устройств.

«SM58IP04 адресует как высокую эффективность, так и оптимальное тепловое рассеивание через корпус, максимизирующий тепловой поток к PCB», — объясняет Хё. «Высокая эффективность означает меньше тепла внутри корпуса, что улучшает общую системную температуру.»

Для поддержки текущих R&D, Silicon Mitus открыла новый Дизайн-центр в Павии, Италия, в 2017 году, используя квалифицированный пул аналоговых дизайнеров. Объект оснащен для доставки зарядных устройств следующего поколения, разблокирующих полный потенциал USB-Type-C в мобильных и ноутбук приложениях.

«Мы инвестировали в USB-Type-C зарядные устройства для ноутбук/Chromebook использования и в компоненты делителя напряжения для мобильных устройств», — говорит Хё. «Выходное напряжение SM58IP04 может быть запрограммировано с гранулярностью 12,5 мВ, полностью соответствуя требованию 20 мВ шага USB-PD 3.0. Наш портфель позволяет архитектуры зарядных устройств батарей, обходящие внутреннюю конвертацию питания, устраняя главный источник потерь, пока держат токи кабелей в пределах 3 А — устраняя необходимость в дорогих e-marked кабелях выше 3 А.»

Глобальный рынок PMIC прогнозируется ростом с CAGR 4,6% и достижением $56,48 млрд к 2026 году, отражая растущий спрос на более умные, более эффективные решения управления питанием.