USB-C speelt een steeds grotere rol in wearables en mobiele producten

Energieverbruik is een van de grootste uitdagingen voor de mobiele technologiesector. USB-C zou in de eerste plaats een connectiviteitsoptie zijn, maar het wordt steeds populairder omdat het ook een handig middel is om de stroomvoorziening van draagbare apparaten te beheren.

In dit steeds evoluerende mobiele ecosysteem worden apparaten steeds intelligenter en krachtiger, wat betekent dat ze allemaal meer energie nodig hebben om te werken. Hoewel fabrikanten ernaar streven het batterijverbruik te verminderen, is het veelvoorkomende probleem met smartphones, draagbare apparaten, fitnessarmbanden, tablets en laptops het hoge energieverbruik na een paar uur gebruik op volle capaciteit, waardoor een sessie met stroomvoorziening nodig is om de batterij op te laden . Daarom is een van de vele uitdagingen voor ontwerpers het beoordelen van de energiefactor, het inschatten van de benodigde energie en het ontwerpen van een zeer efficiënte energiebeheerconfiguratie.

Bij het ontwerp van een draadloos oplaadsysteem wordt een fundamentele parameter weergegeven door de hoeveelheid oplaadvermogen die nodig is om de batterij bij te vullen. Het ontvangen vermogen is afhankelijk van ontelbare factoren, waaronder het niveau van het uitgezonden vermogen, de afstand en de uitlijning tussen de zendwikkeling en de ontvanger, anders gedefinieerd als "koppeling" en, ten slotte, de tolerantie van de componenten van de zender en van de ontvanger. Niemand heeft tijd om te wachten tot een batterij is opgeladen:hoe korter de tijd om de batterij op te laden, hoe beter de gebruikerservaring. Dit wordt goed begrepen in de markt voor consumentenelektronica en alle grote merken proberen de oplaadtijden te verkorten.

Apparaten met een USB-C-poort worden snel opgeladen en bieden ultrahoge overdrachtssnelheden voor aansluiting op randapparatuur en externe apparaten. USB-C ondersteunt ook audio- en video-uitvoer en is compatibel met HDMI-, VGA- en DisplayPort-schermen. USB-C ligt op schema om de industriestandaard te worden voor fabrikanten van alle soorten apparaten.

Maar terwijl USB-C dingen voor eindgebruikers vereenvoudigt, verhoogt het de complexiteit vanuit het ontwerp- en engineeringoogpunt. Er zijn aanzienlijke ontwerp- en testuitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd bij het maken van een USB Type-C-voedingsconnector die compatibiliteit en omkeerbaar gebruik met alle andere typen mogelijk maakt. De USB-poort is geëvolueerd van het eerste gebruik, voornamelijk als data-interface, en is vervolgens het belangrijkste middel voor het opladen van draagbare elektronische apparaten geworden.

Figuur 1:SM58IP04 enkele chip

Silicon Mitus heeft vier productlijnen die zich richten op de markt voor mobiele apparaten en consumentenelektronica, de markt voor LCD- en OLED-displays en de markt voor oplaadaccessoires. De belangrijkste toepassingen zijn geïntegreerde schakelingen voor energiebeheer (PMIC) voor smartphonetoepassingen zoals IF PMIC/batterijbeheer met snel opladen, complete USB Type-C-oplossingen en draadloze opladers; PMIC-oplossingen voor LCD- en OLED-schermen voor smartphones, monitoren en grote tv's; Audioproducten voor versterkte klasse-D-versterkers, hoogwaardige audiocodec en oppervlaktegeluid voor platte beeldschermen; PMIC-oplossingen voor computertoepassingen en USB Type-C batterijladers.

"We hebben tot nu toe meer dan 3,5 miljard IC's in deze markten verzonden." zei Youm Huh, CEO van Silicon Mitus, een Zuid-Koreaans bedrijf gevestigd in Pangyo (Seoul) dat gespecialiseerd is in analoge IC-producten. “Automotive is een andere markt die we met PMIC aanpakken, evenals audioproducten voor auto-infotainment en displaymodules. Silicon Mitus levert Power management IC aan modulefabrikanten van achteruitkijkcamera's van de nieuwste generatie auto's (ter vervanging van de glazen spiegels).”

Silicon Mitus heeft onlangs de SM58IP04 aangekondigd:een single-chip buck-boost USB Type-C Narrow V_DC (NVDC) oplader gericht op 2S/3S- en 4S-batterijtoepassingen. Het bereikt een efficiëntie tot 95% terwijl in zowel buck- als boost-modus de batterij wordt opgeladen tot 6 A dankzij geavanceerd thermisch beheer.

"We zijn uiterst tevreden met de prestaties van SM58IP04:het is snel toegepast in computertoepassingen waar het product zeer effectief is geweest in het leveren van geweldige prestaties, met een kleine PCB-oplossing en kostenbesparend", zegt Gianfranco Scherini, de VP van het bedrijf. van bedrijfsontwikkeling. "Dit product combineert de kenmerken van een meercellige batterijlader met de volledige ondersteuning van de USB Type-C- en PD-specificatie."

De USB Type-C-standaard voldoet aan de behoeften van de markt op het gebied van stroomvoorziening en datasnelheid, maar vooral in termen van het steeds groter wordende aantal apparaten dat met elkaar kan worden verbonden. Het is een omkeerbare connector, wat betekent dat u de aansluitrichting niet hoeft te kennen. De USB Type-C-standaard past zich aan om een ​​perfecte aansluiting te zijn voor accessoires en externe randapparatuur, maar ook voor het voeden van laptops en andere apparaten. Inderdaad, de USB Type-C Power Delivery (PD)-standaard ondersteunt stromen tot 5A en 20V, waardoor het mogelijk is om tot 100 Watt vermogen te leveren. Gezien de huidige niveaus vereist de norm passende beveiligingen, zonder welke het apparaat zou kunnen beschadigen.

“We hebben bewezen dat onze strategie om de efficiëntie van onze buck-boost te vergroten en tegelijkertijd agressief het hoogste niveau van integratie te bereiken, juist was. Klanten waarderen de voordelen van een eenvoudige, zeer efficiënte oplossing die de volledige ondersteuning voor het USB Type-C-stroompad samen met een batterijlader integreert. Met het gebruik van de SM58IP04 gedraagt ​​elke USB Type-C-poort zich precies hetzelfde en daarom biedt het een ander niveau van flexibiliteit aan het systeemontwerp wanneer wordt geprobeerd verschillende vormfactoren te accommoderen met een gemeenschappelijk platform. We zagen het potentieel in de USB Type-C met de release van de Power Delivery-specificatie 3.0 en in een groot aantal nieuwe gebruiksmodellen, en dit is nog maar het begin. Laten we eens nadenken over de mogelijkheid om tot 100 watt vermogen te leveren - 5 amp * 20 volt - met de mogelijkheid om de waarden van de spanningen en stroom in elke gewenste vorm of vorm te onderhandelen, "zei Scherini.

Het belangrijkste obstakel voor het implementeren van energiebesparende oplossingen ligt in het thermisch beheer. Door technologische ontwikkelingen in het ontwerp is de noodzaak om componenten te beschermen tegen warmteontwikkeling voortdurend toegenomen. Voor een fabrikant van halfgeleiders is siliconenverpakking een belangrijke onderscheidende factor. Specificaties zoals thermische dissipatie en algemene systeemvereisten hangen grotendeels af van de verpakking.

“Thermische beheersing speelt een heel belangrijke rol. Nu consumenten steeds meer op weg zijn naar slankere, ventilatorloze notebook-pc's, is een van de uitdagingen om het systeem binnen een comfortabele temperatuur te houden om aan te raken en binnen het IC-temperatuurbereik van de operatie, "zei Huh.

Een van de kritieke omstandigheden doet zich voor terwijl de gebruiker het systeem op de voeding aansluit:om gebruikers in staat te stellen een apparaat in de kortst mogelijke tijd op te laden, moeten we zoveel mogelijk stroom tegelijk in de batterij pompen. In notebook-pc's en Chromebook-toepassingen is het bijvoorbeeld gebruikelijk dat de oplader tussen de 45 en 65 watt aan stroom levert aan de batterij. Dit houdt in dat met elk procentpunt aan efficiëntieverlies meer dan een halve watt lokaal wordt gedissipeerd op het zeer kleine oppervlak van de printplaat en warmte genereert die de lokale temperatuur verhoogt.

Figuur 2:circuitlay-out voor de SM58IP04 single-chip

Daarom richten de hardwareprestatievereisten de elektronica in toenemende mate in de richting van architecturen met een hoge energie-efficiëntie, zodat ze meer configuraties en nauwkeurige controle kunnen ondersteunen om de kenmerken van de apparaten voor de nabije toekomst te behouden.

"SM58IP04 helpt dit probleem op te lossen door zowel het hoge rendement van de buck-boost als de optimale thermische dissipatie aan te pakken met een pakkettechnologie die de warmtestroom door de PCB maximaliseert. Hoe hoger de efficiëntie van de oplader, hoe kleiner de hoeveelheid stroom die wordt afgevoerd in de behuizing van het apparaat, hoe beter de warmte wordt afgevoerd via het moederbord, hoe lager de temperatuur in het systeem, "zei Huh.

“Om de groei in onderzoek en ontwikkeling te ondersteunen, hebben we in 2017 een nieuw Design Center geopend in Pavia, Italië, waar we een aantrekkelijke pool van bekwame analoge ontwerpers vinden. We zijn volledig uitgerust om de nieuwste generatie batterijladerproducten te leveren, zodat onze klanten ten volle kunnen profiteren van de USB Type-C-functies in mobiele en laptoptoepassingen”, aldus Huh.

“Daarom hebben we besloten te investeren in USB Type-C batterijladers voor laptop/Chromebook-toepassingen en kapverdelers die worden gebruikt in mobiele toepassingen. De uitgangsspanning van de SM58IP04 kan worden geprogrammeerd met een granulariteit van 12,5 mV - volledig compatibel met de USB PD3.0 die een minimale stap van 20 mV vereist. Met ons productportfolio maakt Silicon Mitus nieuwe architecturen voor batterijladers mogelijk die elke interne stroomconversie in het apparaat kunnen omzeilen, waardoor de belangrijkste bron van stroomverliezen wordt geëlimineerd, terwijl de stroom in de kabel binnen 3A blijft. Dit elimineert de noodzaak voor duurdere kabels, aangezien boven 3A, de USB-standaard het gebruik van een duurdere kabel met e-markering vereist, "voegde Huh eraan toe.

Apparaten voor energiebeheer worden steeds slimmer en efficiënter. De vraag naar dergelijke apparaten neemt snel toe vanwege geavanceerde functies en technologie. Verwacht wordt dat de wereldwijde PMIC-markt de komende jaren zal groeien tot een CAGR van 4,6% en tegen 2026 $ 56,48 miljard zal bereiken.