USB-C findet eine wachsende Rolle bei Wearables und mobilen Produkten

Der Energieverbrauch ist eine der größten Herausforderungen für die Mobilfunkbranche. USB-C sollte in erster Linie eine Konnektivitätsoption sein, findet jedoch zunehmend Anklang, da es auch ein nützliches Mittel zur Energieverwaltung in tragbaren Geräten ist.

In diesem sich ständig weiterentwickelnden mobilen Ökosystem werden Geräte immer intelligenter und leistungsfähiger, was bedeutet, dass sie alle mehr Energie benötigen, um zu funktionieren. Obwohl Hersteller bestrebt sind, den Akkuverbrauch zu reduzieren, ist das häufige Problem bei Smartphones, Wearables, Fitnessarmbändern, Tablets und Laptops der hohe Energieverbrauch nach ein paar Stunden voller Nutzung, der eine Sitzung mit Netzteil zum Aufladen des Akkus erforderlich macht . Daher besteht eine der vielen Herausforderungen für Designer darin, den Energiefaktor zu bewerten, die benötigte Energie abzuschätzen und eine sehr effiziente Energieverwaltungskonfiguration zu entwerfen.

Beim Design eines drahtlosen Ladesystems wird ein grundlegender Parameter durch die Menge an Ladeleistung dargestellt, die zum Auffüllen der Batterie erforderlich ist. Die Empfangsleistung hängt von unzähligen Faktoren ab, unter anderem von der Höhe der Sendeleistung, dem Abstand und der Ausrichtung zwischen Sendewicklung und Empfänger, auch als „Kopplung“ bezeichnet, und schließlich von der Toleranz der Bauteile des Senders und von der Empfänger. Niemand muss auf das Aufladen eines Akkus warten:Je kürzer die Zeit zum Aufladen des Akkus, desto besser das Benutzererlebnis. Dies ist im Unterhaltungselektronikmarkt gut bekannt und alle großen Marken versuchen, die Ladezeiten zu verkürzen.

Geräte mit USB-C-Anschluss laden sich schnell auf und bieten ultraschnelle Übertragungsgeschwindigkeiten für den Anschluss an Peripheriegeräte und externe Geräte. USB-C unterstützt auch die Audio- und Videoausgabe und ist mit HDMI-, VGA- und DisplayPort-Displays kompatibel. USB-C ist auf dem besten Weg, der Industriestandard für Hersteller aller Arten von Geräten zu werden.

Aber während USB-C die Dinge für Endbenutzer vereinfacht, erhöht es die Komplexität aus Design- und Engineering-Sicht. Designer müssen sich bei der Entwicklung eines USB-Typ-C-Stromanschlusses, der Kompatibilität und reversible Verwendung mit allen anderen Typen ermöglicht, erheblichen Design- und Testherausforderungen stellen. Der USB-Anschluss hat sich von seiner anfänglichen Verwendung hauptsächlich als Datenschnittstelle entwickelt und wurde später zum Hauptmittel zum Aufladen tragbarer elektronischer Geräte.

Abbildung 1:SM58IP04 Single-Chip

Silicon Mitus bietet vier Produktlinien für den Markt für mobile Geräte und Unterhaltungselektronik, LCD- und OLED-Displays und den Markt für Ladezubehör. Die Hauptanwendungen sind Power Management Integrated Circuits (PMIC) für Smartphone-Anwendungen wie z. B. IF PMIC/Battery Management mit Schnellladung, komplette USB-Typ-C-Lösungen und kabellose Ladegeräte; PMIC-Lösungen für LCD- und OLED-Displays für Smartphones, Monitore und große Fernseher; Audioprodukte für verstärkte Class-D-Verstärker, Hochleistungs-Audiocodec und Oberflächenton für Flachbildschirme; PMIC-Lösungen für Computeranwendungen und USB-Typ-C-Akkuladegeräte.

„Wir haben bisher über 3,5 Milliarden ICs in diese Märkte geliefert.“ sagte Youm Huh, CEO von Silicon Mitus, einem südkoreanischen Unternehmen mit Sitz in Pangyo (Seoul), das sich auf analoge IC-Produkte spezialisiert hat. „Automotive ist ein weiterer Markt, den wir mit PMIC adressieren, sowie Audioprodukte für Automotive-Infotainment und Display-Module. Silicon Mitus bietet Modulherstellern von Rückfahrkameras der neuesten Fahrzeuggeneration Power-Management-IC (als Ersatz für die Glasspiegel).“

Silicon Mitus hat kürzlich den SM58IP04 angekündigt:einen Single-Chip-Buck-Boost-USB Typ-C Narrow V_DC (NVDC) Ladegerät für 2S/3S- und 4S-Batterieanwendungen. Es erreicht einen Wirkungsgrad von bis zu 95 %, während der Akku im Buck- oder Boost-Modus dank fortschrittlichem Wärmemanagement mit bis zu 6 A aufgeladen wird.

„Wir sind mit der Leistung von SM58IP04 äußerst zufrieden:Es wurde schnell in Computeranwendungen eingesetzt, bei denen das Produkt sehr effektiv bei der Bereitstellung großer Leistung mit einer kleinen PCB-Lösungsgröße und Kosteneinsparungen war“, sagte Gianfranco Scherini, VP . des Unternehmens der Geschäftsentwicklung. „Dieses Produkt kombiniert die Funktionen eines Mehrzellen-Akkuladegeräts mit der vollen Unterstützung der USB-Typ-C- und PD-Spezifikation.“

Der USB-Typ-C-Standard erfüllt die Anforderungen des Marktes in Bezug auf Leistungsabgabe und Datenrate, vor allem aber in Bezug auf die immer größer werdende Anzahl von Geräten, die sich miteinander verbinden können. Es handelt sich um einen umkehrbaren Stecker, d. h. Sie müssen die Anschlussrichtung nicht kennen. Der USB-Typ-C-Standard ist eine perfekte Verbindung für Zubehör und externe Peripherie, aber auch für die Stromversorgung von Laptops und anderen Geräten. Tatsächlich unterstützt der USB-Typ-C-Power-Delivery-Standard (PD) Ströme von bis zu 5 A und 20 V, wodurch eine Leistung von bis zu 100 Watt möglich ist. Angesichts der aktuellen Werte verlangt die Norm entsprechende Schutzmaßnahmen, ohne die das Gerät beschädigt werden könnte.

„Wir haben bewiesen, dass unsere Strategie, die Effizienz unseres Buck-Boosts zu steigern und gleichzeitig aggressiv auf das höchste Integrationsniveau zu zielen, richtig war. Kunden schätzen die Vorteile einer einfachen, hocheffizienten Lösung, die die volle Unterstützung für den USB-Typ-C-Strompfad zusammen mit einem Batterieladegerät integriert. Bei Verwendung des SM58IP04 verhält sich jeder USB-Typ-C-Port genau gleich und bietet somit ein weiteres Maß an Flexibilität für das Systemdesign, wenn versucht wird, verschiedene Formfaktoren mit einer gemeinsamen Plattform zu unterstützen. Wir haben das Potenzial im USB Typ-C mit der Veröffentlichung der Power Delivery Spezifikation 3.0 und in einer Vielzahl neuer Nutzungsmodelle gesehen und das ist erst der Anfang. Denken wir an die Fähigkeit, bis zu 100 Watt Leistung zu liefern – 5 Ampere * 20 Volt – mit der Möglichkeit, die Werte der Spannungen und des Stroms in jeder gewünschten Form auszuhandeln “, sagte Scherini.

Das Haupthindernis für die Umsetzung energiesparender Lösungen liegt im Thermomanagement. Technologische Fortschritte im Design haben die Notwendigkeit, Komponenten gegen Hitzestau zu schützen, ständig erhöht. Für einen Halbleiterhersteller ist das Silizium-Packaging ein entscheidendes Unterscheidungsmerkmal. Spezifikationen wie Wärmeableitung und Gesamtsystemanforderungen hängen weitgehend von der Verpackung ab.

„Das Wärmemanagement spielt eine sehr wichtige Rolle. Da die Verbraucher zu schlankeren, lüfterlosen Notebook-PCs übergehen, besteht eine der Herausforderungen darin, das System innerhalb einer angenehmen Temperatur zum Anfassen und innerhalb des IC-Betriebstemperaturbereichs zu halten“, sagte Huh.

Eine der kritischen Bedingungen tritt ein, während der Benutzer das System mit der Stromversorgung verbindet:Damit Benutzer ein Gerät in kürzester Zeit aufladen können, müssen wir so viel Strom wie möglich auf einmal in die Batterie pumpen. Bei Notebook-PC- und Chromebook-Anwendungen ist es beispielsweise üblich, dass das Ladegerät zwischen 45 und 65 Watt Leistung an den Akku liefert. Dies bedeutet, dass mit jedem einzelnen Prozentpunkt Effizienzverlust mehr als ein halbes Watt lokal auf der sehr kleinen Fläche der Leiterplatte abgegeben wird und Wärme erzeugt, die die lokale Temperatur erhöht.

Abbildung 2:Schaltungslayout für den SM58IP04 Single-Chip

Daher richten sich die Hardware-Leistungsanforderungen an die Elektronik zunehmend an Architekturen mit hoher Energieeffizienz, damit sie mehr Konfigurationen und eine genaue Steuerung unterstützen können, um die Eigenschaften der Geräte für die nahe Zukunft zu erhalten.

„SM58IP04 hilft, dieses Problem zu lösen, indem es sowohl die hohe Effizienz des Buck-Boost als auch die optimale Wärmeableitung mit einer Gehäusetechnologie anspricht, die den Wärmefluss durch die Leiterplatte maximiert. Je höher die Effizienz des Ladegeräts, desto geringer die im Gehäuse des Geräts abgeführte Energie, desto besser wird die Wärme über das Motherboard abgeleitet, desto niedriger ist die Temperatur im System“, sagte Huh.

„Um das Wachstum in Forschung und Entwicklung zu unterstützen, haben wir 2017 ein neues Design Center in Pavia, Italien, eröffnet, wo wir einen attraktiven Pool an qualifizierten Analogdesignern vorfinden. Wir sind voll ausgestattet, um die neueste Generation von Batterieladeprodukten zu liefern, damit unsere Kunden die USB-Typ-C-Funktionen in mobilen und Laptop-Anwendungen voll ausschöpfen können“, sagte Huh.

„Deshalb haben wir uns entschieden, in USB-Typ-C-Akkuladegeräte für Laptop-/Chromebook-Anwendungen und Kappenteiler für mobile Anwendungen zu investieren. Die Ausgangsspannung des SM58IP04 kann mit einer Granularität von 12,5 mV programmiert werden – vollständig kompatibel mit USB PD3.0, die einen Mindestschritt von 20 mV erfordert. Mit unserem Produktportfolio ermöglicht Silicon Mitus neue Architekturen für Batterieladegeräte, die jede interne Stromumwandlung im Gerät umgehen können, wodurch die Hauptquelle von Leistungsverlusten eliminiert wird, während der Stromfluss in das Kabel innerhalb von 3 A gehalten wird. Dies macht teurere Kabel überflüssig, da der USB-Standard über 3A die Verwendung eines teureren E-geprüften Kabels erfordert“, fügte Huh hinzu.

Energieverwaltungsgeräte werden immer intelligenter und effizienter. Die Nachfrage nach solchen Geräten steigt aufgrund fortschrittlicher Funktionen und Technologien schnell an. Es wird erwartet, dass der globale PMIC-Markt in den nächsten Jahren auf eine CAGR von 4,6% anwächst und bis 2026 56,48 Milliarden US-Dollar erreichen wird.