Power Delivery – der neue Standard für die Stromversorgung

Nur ältere PC-Benutzer kennen sie noch: die parallele und die serielle Schnittstelle am PC. Am parallelen Port LPT wurde immer ein komplettes Byte ausgegeben, gerade richtig für den »schnellen« Drucker. Am seriellen Port tröpfelten die Bits nacheinander heraus, hier wurde die langsame Maus und später das Modem angeschlossen.
Von Anbeginn waren diese Schnittstellen die Tore des Computers zur Außenwelt, aber genormt und standardisiert war nur die Hardware. Besonders in der Industrie wurden über die serielle Schnittstelle unzählige Geräte angeschlossen, hier mußte quasi für jedes ein eigener Treiber mitgeliefert werden. Dazu kam die begrenzte Datengeschwindigkeit und die Größe der Steckverbinder. Insgesamt eine unbefriedigende Situation, die sich noch bis Windows 95 hinzog. Es war

Zeit für eine neue Schnittstelle

Die kam dann 1996 in Form des Universal Serial Bus oder kurz USB. Das Ziel war, die unübersichtliche serielle RS232 und die technisch an ihren Grenzen angelangte parallele Schnittstelle zu ersetzen. Der Anwender sollte nur noch den USB-Stecker in die Buchse stecken und im Hintergrund wurde über das USB-Protokoll die Verbindung zwischen den Geräten hergestellt. Dieses Protokoll war sehr komplex, es übernahm quasi alles, was der Anwender früher in eigener Regie zu tun hatte. Die Kommunikation erfolgte über die zwei Datenleitungen im USB-Stecker, die anderen beiden waren +5V und Masse. Das USB-Protokoll und die Energieversorgung über das Kabel waren das eigentlich revolutionäre an USB, denn ab sofort war die Zielelektronik nicht mehr auf externe Steckernetzteile o.ä. angewiesen, der »Saft« kam direkt über das USB-Kabel.
Dabei war das Ur-USB 1.0 noch sehr genügsam. Die Datenrate betrug 12Mbps (1,5Mbyte/s) und unmittelbar nach dem Anstecken wurden vom PC nur 100mA zur Verfügung gestellt. Wenn der Verbraucher mehr Strom brauchte, mußte dieser Wunsch an den PC gemeldet werden, der dann bis zu 500mA bereitstellte. Im Laufe der Zeit erhöhte sich die Datenrate auf 480Mbps (USB 2.0), dann auf 5Gbps (USB 3.0), inzwischen sind 10Gbps (USB 3.1) und 20Gbps (USB 3.2) erreicht. Auf der Stromversorgungsseite blieb es aber lange bei den 5V/0,5A, ziemlich wenig für moderne Geräte. Der Hersteller Qualcomm führte deshalb 2013 für Handys, die mit seinem Chipsatz SnapDragon ausgerüstet waren, den Standard Quick Charge ein, bei dem die Spannung auf 12V und der Strom auf 2A erhöht werden konnte. Diese proprietäre Technik mußte allerdings von anderen Herstellern lizensiert werden, außerdem waren 24W zum Laden leistungshungriger Geräte wie Laptops und Tablets schon wieder zu wenig. 
Auch die beiden Standard-USB-Stecker A und B waren mittlerweile von einem Wildwuchs aus Mini, Micro und verschiedenen Varianten für das schnellere USB3 umgeben, samt einer nicht mehr zu überschauenden Vielzahl an Adapterkabeln. Damit war die Vereinheitlichung der Hardware, die USB einst hatte bringen sollen, allmählich verlorengegangen. Nach 20 Jahren war es wieder Zeit, den USB-Standard gründlich zu überarbeiten. Und das mit dem Ziel, nur noch einen einzigen Stecker für alle Anwendungen einzusetzen. Ein weiterer wichtiger Punkt war die Abkehr vom alten gepolten Stecker, der nur in einer Position eingesteckt werden konnte. Der neue USB-Verbinder sollte symmetrisch sein und in jeder Lage passen.

Der USB-C-Stecker

sollte die »eierlegende Wollmilchsau« sein, die all diesen Anforderungen genügt. Die Datenübertragung ist aber nur noch ein Teil von USB-C, mindestens genauso wichtig ist die Stromversorgung. Hier ist es die neue Technologie namens Power Delivery, die den USB-C-Standard so bemerkenswert macht. Sie ist nicht auf die Technologie von Qualcomm angewiesen und übertrifft mit 100W die Leistungsfähigkeit von Quick Charge bei weitem. 
Ähnlich wie schon beim Ur-USB startet nach dem Anstecken des Verbrauchers (Sink) an ein Netzteil (Source) ein »PD-Negotiation-Protokoll«, in dem Source und Sink aushandeln, welche Strom/Spannungs-Kombination zur Verfügung gestellt wird.
Damit der Anwender dieses aufwändige Protokoll nicht selber in einen Mikrocontroller implementieren muß, hat die Firma STMicroelectronics dankenswerterweise den Sink-Controller STUSB4500 entwickelt, der diese Aufgabe übernimmt. Er läßt sich als  »Front-End« in jeder Elektronik verwenden, die Strom aus einem USB-C-Netzteil mit Power Delivery »saugen« will. Die Standard-Spannungen sind 5V, 9V, 12V, 15V und 20V, der Strom wird von der Leistungsklasse des Netzteils bestimmt. Manche Netzteile können aber nicht alle Spannungen bereitstellen, dann würde ein Verbraucher, der gerade diese fehlende Spannung braucht, nicht funktionieren. 
Zur Programmierung des STUSB4500 ist ein kleiner Nucleo-Einplatinencomputer von STM erforderlich, der per USB an den PC angeschlossen und über eine vieradrige Leitung mit der Zielelektronik verbunden wird. Mit einem von STM bereitgestellten PC-Programm kann dann der STUSB4500 programmiert werden. Der STUSB4500 stellt drei Profile PDO3-PDO1 zur Verfügung, wobei PDO3 die höchste Priorität besitzt. PDO1 steht für Standard-USB und kann nicht verändert werden. Hat man z.B. einen Verbraucher, der mit 15V/2A oder 12V/2,5A funktioniert, können diese beiden Kombinationen als Level 3 und 2 eingegeben werden. Das USB_Netzteil versucht dann, zuerst die Kombination von Level 3 zu bedienen. Kann es das nicht, wird Level 2 versucht und wenn es das auch nicht kann, fällt es zurück auf Standard-USB mit 5V. Damit das nicht passiert, muß man sich ein Netzteil suchen, das den gewünschten Anforderungen entspricht. Welche Strom/Spannungs-Kombinationen ein Netzteil liefern kann, ist meist auf dem Gerät vermerkt. 

Nach der Theorie die Praxis

Die 12V-Akkupacks wurden mit einem Ladegerät aufgeladen, das ein 20V/30W-Netzteil benötigte. Das war groß und schwer und bot sich geradezu an, von einem modernen USB-C-Steckernetzteil mit PD ersetzt zu werden. Auch das eigentliche Ladegerät sollte bei der Gelegenheit auf dieselbe Platine in der Größe von 5x3cm² verfrachtet werden. Die linke Hälfte gehörte zu USB-C/PD, die rechte zum Ladeteil.