Wie USB Typ-C die Verwirrung der Verbraucher um Netzteile reduzieren und den weltweiten Elektroschrott reduzieren kann

Die Unterhaltungselektronikindustrie leidet unter einem gigantischen Elektroschrottproblem. Der neueste Bericht des Global E-Waste Monitor geht davon aus, dass jedes Jahr etwa 1 Million Tonnen Netzteile produziert werden. Diese Ladegeräte werden mit tragbaren Verbrauchergeräten wie Laptop-PCs, Tablets, Mobiltelefonen, Kameras, intelligenten Lautsprechern, Elektrowerkzeugen und vielen anderen Produkttypen geliefert.

Funktionell sind diese Adapter bemerkenswert ähnlich. Sie können über einen Netzeingangsspannungsbereich von 85 V bis 264 V_ac betrieben werden für den Einsatz überall auf der Welt. Außerdem beträgt die Nennleistung der meisten Geräte weniger als 100 W. Es ist jedoch selten, dass Hersteller heute die Möglichkeit bieten, den Adapter eines Geräts zur Stromversorgung eines anderen Produkts zu verwenden. Tatsächlich ist es der Industrie gelungen, eine erstaunliche Reihe kosmetisch ähnlicher, aber funktionell inkompatibler Versionen des grundlegenden Hohlsteckers zu entwickeln (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1:In Netzteilen und Ladegeräten wird eine Vielzahl von Hohlsteckern verwendet. (Quelle:Cypress)

Dies führt zu Verwirrung beim Verbraucher, der es schwierig findet, einen Typ von Hohlsteckern von einem anderen zu unterscheiden. Wenn das Netzteil eines Geräts verloren geht oder beschädigt wird, erfordert der Kauf eines Ersatzes eine sorgfältige Überprüfung, ob das Ersatzteil mit dem Gerät, für das es benötigt wird, kompatibel ist. Und jedes Mal, wenn der Benutzer ein elektronisches Gerät benötigt oder ersetzen möchte, wird das Ladegerät entsorgt, was zur weltweiten Ansammlung von Elektroschrott beiträgt.

Im Idealfall könnten Verbraucher dasselbe Netzteil und denselben Anschluss für mehrere Geräte verwenden. Ein solcher universeller Steckverbinder würde die Benutzererfahrung verbessern und Herstellern die Kosten ersparen, die ihnen derzeit für die Herstellung und den Versand von Adaptern mit jedem hergestellten Produkt entstehen.

Ein neues Industriekonsortium muss keine koordinierte Antwort erarbeiten, da ein solcher Steckverbinder bereits existiert, einfach zu implementieren und schnell verfügbar ist:der USB-Typ-C-Steckverbinder. Diese Schnittstelle wird vom neuesten USB Power Delivery (PD)-Protokoll unterstützt, einem Industriestandard zur Bereitstellung von maximal 100 W (bis zu 20 V bei bis zu 5 A) an ein stromverbrauchendes Gerät.

Verbraucherfreundliche Funktionen von USB Typ-C

USB – der Universal Serial Bus – ist eine Schnittstellentechnologie, die Protokolle für die Datenkommunikation und Stromversorgung bereitstellt. Die USB-Standardisierungsorganisation – das USB Implementers Forum (USB-IF) – skizziert strenge Testspezifikationen, die verwendet werden, um die Konformität von USB-Geräten mit dem Standard zu validieren. Außerdem werden die Interoperabilitätsanforderungen für Geräte, die als USB-zertifiziert gekennzeichnet sind, strikt durchgesetzt.

Das Ergebnis ist, dass Verbraucher aus Erfahrung wissen, dass das Vorhandensein eines USB-Logos auf einem Stecker oder Kabel darauf hinweist, dass es mit jedem anderen Gerät kompatibel ist, das ein USB-Logo trägt. Darüber hinaus könnten der USB-Typ-C-Anschluss und das Kabel selbst nicht verbraucherfreundlicher sein, da es reversibel und richtungsunabhängig ist.

Für Verbraucher müssen keine neuen Lern- oder Gewohnheiten erworben werden, bevor das USB-Typ-C-Ladegerät als universelle Stromversorgung für batteriebetriebene Geräte verwendet wird. Dazu gehören Laptops und Smartphones sowie Geräte, die keine Daten senden und empfangen, wie Smart Speaker, Rasierer und Elektrowerkzeuge etc. USB Typ-C Ladegeräte sind heute schon problemlos zu beschaffen:mehr als 500 Drittanbieter USB Typ-C Adapter, Ladegeräte und Powerbanks von mehreren Herstellern sind online oder in Geschäften weltweit erhältlich.

Durch die Verwendung von USB Typ-C als universellen Stromanschluss anstelle eines proprietären Hohlsteckers reduziert ein Gerätehersteller seinen Beitrag zum Elektroschrott-Problem. OEMs können sich auch dafür entscheiden, die Produktions- und Versandkosten zu sparen, die bei der Bündelung eines Netzteils mit ihrem Produkt anfallen. Hersteller von Bluetooth-Headsets, Action-Kameras und anderen ähnlichen Geräten haben bereits den Schritt unternommen, standardmäßig kein Ladegerät mit ihren neuen Produkten mitzuliefern.

Heute verfügen Hunderte von Laptop- und Mobiltelefonmodellen von Marken wie HP, Dell Apple, Lenovo, Acer, Asus, Huawei und Samsung über eine USB-Typ-C-Netzteilschnittstelle und ein Ladegerät. Die Durchdringung von USB-Typ-C-Netzteilen in Laptops und Mobiltelefonen wird in naher Zukunft 100 % erreichen.

Der schnellste Weg zur Implementierung eines neuen USB-Typ-C-Stromsenkendesigns

Die USB-Technologie, die einem universellen Batterieladegerät zugrunde liegt, ist heute einsatzbereit. Der USB-Standard erreicht Interoperabilität durch die Kommunikation zwischen dem „Host“ – beispielsweise einem Ladegerät – und dem „betriebenen Gerät“.

Die Kommunikation unter dem USB-PD-Protokoll ermöglicht einem mit Strom versorgten Gerät:

• Erkennt ein Ladegerät, wenn es über ein USB-Typ-C-Kabel angeschlossen ist
• Entdecken Sie die Leistungsprofile – die Parameter einschließlich der maximalen Spannung und des maximalen Stroms angeben, die an das mit Strom versorgte Gerät geliefert werden – die das Ladegerät unterstützt
• Geben Sie das Profil an, das das Gerät aus den unterstützten Energieprofilen des Ladegeräts benötigt

Da die USB-Technologie sowohl Datenkommunikation als auch ein Stromversorgungsprotokoll umfasst, könnten Produktvermarkter und Entwickler befürchten, dass die Designimplementierung schwieriger, komplexer und langwieriger ist als die einfache, nicht konfigurierbare, nicht signalisierende Stromversorgungsschaltung eines Hohlsteckers . Tatsächlich kann ein Proof-of-Concept-Design für ein USB-PD-3.0-Stromeingangssystem über eine USB-Typ-C-Buchse in wenigen Minuten abgeschlossen werden. Die Implementierung eines Produktionsdesigns ist auch bemerkenswert einfach, da nur wenige Komponenten und keine Firmware-Entwicklung erforderlich sind.

Der schnellste Weg zu einem Proof-of-Concept-Design für einen USB-Typ-C-Stromeingang ist die Verwendung eines Entwicklungskits mit integriertem USB-PD-3.0-Controller, Transceiver und Protokoll-Firmware. Das Cypress Semiconductor CY4533 EZ-PD™ Barrel Connector Replacement (BCR) Kit basierend auf dem EZ-PD CYPD3177 BCR-Chip ist beispielsweise eine kleine Platine in Kreditkartengröße, die eine USB-Typ-C-Buchse, den EZ-PD BCR ., enthält Chip, eine kleine Anzahl einfacher Komponenten, die zum Konfigurieren des Eingangsstroms und der Eingangsspannung erforderlich sind. Das Kit ermöglicht es einem Produktentwickler, schnell einen USB-Typ-C-Stromeingang für sein Design zu erstellen und den Hohlstecker zu ersetzen.

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Abbildung 2:Erstellen eines universellen USB-Typ-C-Stromeingangs für einen intelligenten Lautsprecher mit dem EZ-PD BCR-Kit von Cypress Semiconductor. (Quelle:Cypress)

Abbildung 2 zeigt, wie das Kit verwendet werden könnte, um einen Prototyp für einen USB-Typ-C-Stromeingang zu entwerfen, um den vorhandenen Hohlstecker-Stromeingang für einen intelligenten Lautsprecher zu ersetzen. Zunächst wählt der Entwickler ein beliebiges USB-Typ-C-Ladegerät aus, das das erforderliche Leistungsprofil unterstützt. Der USB PD 3.0-Standard spezifiziert Ausgangsspannungsoptionen von 5 V, 9 V, 12 V, 15 V und 20 V und einen Ausgangsstrom von bis zu 5 A. Ein intelligenter Lautsprecher benötigt einen Eingang von 15 V bei 2 A.

Zweitens:Versorgen Sie den Lautsprecher mit der richtigen Leistungsaufnahme, indem Sie ein vorkonfiguriertes Leistungsprofil auswählen. Bei einem Development Kit geschieht dies durch Drehen eines Drehschalters. Befestigen Sie abschließend die Kabel vom Hohlstecker des Lautsprechers an der Klemmleiste des Kits, stecken Sie den Hohlstecker in den Lautsprecher und schalten Sie ihn ein, um den ordnungsgemäßen Betrieb zu testen.

In diesem Prototypsystem führt der USB-Controller alle USB-Stromversorgungsfunktionen aus. Dies umfasst die Verwaltung der Kommunikation zwischen der Energiesenke und dem Ladegerät sowie das Ein- und Ausschalten des Lastschalters, um die Versorgung der Energiesenke zu initiieren/zu stoppen. Der Controller schützt auch die Leistungssenke vor Schäden durch Kurzschluss, Überspannung oder Unterspannung und bietet ESD-Schutz auf Systemebene bis zu 15 kV. Da USB-Controller komplett mit USB PD 3.0-Protokoll-Firmware geliefert werden, ist keine Softwareentwicklung erforderlich, um den Hohlstecker auszutauschen.

Sobald der Test des Prototyps die ordnungsgemäße Funktion des Ersatzes für den USB-Typ-C-Rundsteckverbinder bestätigt hat, müssen die Entwickler den Prototyp in ein Seriendesign umwandeln. Da heutige USB-Controller hochintegrierte Geräte sind, ist dies ein relativ unkomplizierter Vorgang. Abbildung 3 zeigt eine vollständige Schaltung für die USB-Typ-C-Stromversorgung, die weniger als zehn externe Komponenten erfordert.

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Abbildung 3:Eine typische Anwendungsschaltung für einen USB Typ-C Hohlstecker-Ersatz basierend auf dem CYPD3177 Power Delivery Controller. (Quelle:Cypress)

Diese Komponenten sind:

• Die USB-Typ-C-Buchse. Da es sich um ein Standardteil handelt, sind die Kosten der Steckdose gering. Der Preis wird dank der Skaleneffekte, die durch die Einführung der USB-Typ-C-Schnittstelle in Großserienprodukten wie Laptops und Mobiltelefonen entstehen, weiter sinken.
• Der USB-Controller, der über I ² . mit dem Host-Controller des Geräts verbunden wird (falls gewünscht, aber nicht erforderlich). C-Schnittstelle.
• Widerstandsteilernetzwerke zur Auswahl der gewünschten Ausgangsspannungs- und Stromwerte.

Werte für die Widerstände sind in Tabellen im Datenblatt des USB-Controllers angegeben. Aufgrund der geringen Abmessungen der USB-Typ-C-Buchse – nur 2,4 mm hoch – ist der Platzbedarf des gesamten Stromkreises vergleichbar mit dem des Hohlstecker-Netzteils, das es ersetzt.

Grün und praktisch

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Die Umwelt-, Handels- und Verbrauchervorteile, die Vielzahl von Hohlsteckertypen durch ein Universalladegerät für batteriebetriebene Geräte mit <100 W zu ersetzen, sind enorm:

• Reduzierter Elektroschrott
• Reduzierter Materialeinsatz bei der Herstellung von Einwegladegeräten
• Reduzierte Anzahl von Ladegeräten für die Lagerhaltung von OEMs, die mit jedem Produkt ein anderes Ladegerät liefern
• Ein einziges Ladegerät für alle Geräte, die ein Verbraucher besitzt
• Einfacher Austausch defekter oder verlegter Ladegeräte

Weitere Informationen finden Sie unter:

• Globaler E-Waste Monitor-Bericht
• USB-Implementierer-Forum (USB-IF)
• Cypress CY4533 EZ-PD BCR-Evaluierungskit