http://www.microchip.com/8bitEU

Putere electrică prin USB

1 FEBRUARIE 2013

Universal Serial Bus – USB s-a stabilit ca tehnologie de interconectare, în principal, de date. USB evoluează pentru a furniza date la o lățime de bandă și putere mai mari, pe un singur cablu, ducând la omniprezența acestei conectări. Desfășurarea pe scară largă, estimată la peste 10 miliarde de porturi, acum în funcțiune, se va exploata în continuare pentru ca USB să devină principala metodă pentru alimentarea echipamentelor.

Legislația în Europa și China, manda­tează USB pentru capacitatea de încăr­care la toate telefoanele inteligente noi. Consumatorii vor beneficia de o compatibilitate a cablului cu alte produse portabile, dar anumite aspecte de performanță trebuie să fie abordate în primul rând. Până în prezent, nivelul de încărcare prin USB a fost relativ scăzut. De exemplu, USB 2.0 oferă curentul de încărcare 500mA, dar timpul necesar pentru procesul de încărcare a limitat utilizarea USB. Situația este pe cale să se schimbe, ridicându-se nivelurile actuale de putere USB la 10W (5V@2A), reducând timpul de încărcare.

Încărcarea bateriilor prin USB

USB este un canal extrem de flexibil și convenabil pentru încărcarea bateriilor din următoarea generație de produse electronice portabile. Punerea în aplicare completă a specificațiilor de încărcare USB va reduce timpul necesar pentru a finaliza procesul de încărcare, fiindcă nivelurile de încăr­care pot fi crescute de 4 ori.
În plus, punerea sa în aplicare la scară mare ar putea reduce în mod semnificativ deșeurile electronice care intră în mediu în fiecare an, fiindcă mai puține adaptoare AC/DC ar trebui să fie produse și ulterior aruncate.

Figura 1: Încărcător individual direct din port USB pentru baterie Li-Ion cu LTC 4053-4.2 (Linear Technology). Control termic pentru maximizarea încărcării, curent de încărcare programabil, timer programabil, fără componente externe: MOSFET, rezistor de sesizare sau diodă de blocare, capsulă DFN 10 pini, 3 × 3 × 0.75mm.

Prin folosirea unei soluții de interfață puternic integrată, în loc de una greoaie bazată pe multe componente discrete, este posibil să se creeze circuite mult simplificate și mai eficiente de încărcare a bateriilor aflate în dispozitive portabile, prin interfețe USB, realizând și reducerea costurilor.

USB va oferi putere până la 100W

Grupul Promotor USB 3.0 (USB 3.0 Promoter Group) a anunțat noi speci­ficații de alimentare prin interfața de conectivitate USB, ceea ce va permite porturilor USB să

ofere putere până la 100W și să elimine necesitatea de adaptoare AC/DC independente pentru dispozitive electronice. Grupul oferă detalii extinse despre proiectarea și punerea în aplicare a noilor standarde, care vor fi compatibile cu standardul USB 2.0. Noul standard vizează și un cablu bun pentru toate nivelurile de energie, prin care toate dispozitivele electronice pot fi alimentate de la un port USB. În scopul de a asigura că nu sunt supraîncărcate cablurile, grupul a definit 5 profiluri, cu niveluri diferite de curent livrate prin USB, care vor folosi Cabluri de livrare energie USB, certificate, cablurile USB tra­diționale nefiind capabile să ofere la niveluri mai ridicate de curent. Cele 5 profiluri sunt:
• Profil 1 – capabil să furnizeze 5V@2.0A
• Profil 2 – capabil să furnizeze 5V@2.0A sau 12v@1.5A
• Profil 3 – capabil să furnizeze 5V@2.0A, 12V@3A
• Profil 4 – capabil să furnizeze 5V@2.0A, 12V și 20V@3A
• Profil 5 – capabil să furnizeze 5V@2.0A, 12V și 20V@5A. (Detalii la: www.usb.org)

Tipuri de surse de alimentare prin USB

Specificațiile USB se întind pe mai multe generații de management al puterii.
USB 1.0 și 2.0 se referă la două tipuri de surse de energie (5V, 500mA și 5V, 100mA)

Figura 2: Încărcător din port USB sau adaptor AC/DC pentru curent mai mare de 500mA. Linear Technology oferă și o placă Demonstration Circuit DC705 cu LTC4053EMS-4.2, încărcător la curent constant selectabil 0.5A sau 1A.

pentru alimentarea dispozitivelor conectate, iar specificațiile nu au prevăzut încărcarea bateriei, fiind numai pentru periferice electrice mici, cum ar fi tastaturi și mouse-uri. Dar, acest lucru nu a oprit proiectanții de la elaborarea schemelor de încărcare prin USB a bateriei, pe cont propriu, neasi­gu­rând ceva unificat și nici interope­rabilitatea între di­ferite dispozitive și încărcătoare.
Această limitare a motivat dezvoltarea recentă a unei spe­cificații suplimen­tare USB, Battery Charging Specification, Rev 1.1, 4/15/2009 (BC1.1) care acceptă încărcarea bateriei și descrie sursele de energie care pot livra până la 1.5A. Deși intitulat “Specificații de încărcarea bateriei”, documentul nu conține, de fapt, nimic despre specificul încărcării bateriilor. Se ocupă numai cu modul în care ar trebui să se conec­teze la un port USB pentru încărcare. Metodele de încărcare sunt încă lăsate la latitudinea proiectelor individuale. Înainte de Specificația BC1.1, toate porturile USB de putere active (zise nesuspen­date, în limbajul USB), au fost clasificate ca fie “Low Power” (100mA) sau “High Power” (500mA). Orice port ar putea fi “suspendat”, ceea ce înseamnă că încă este în măsură să furnizeze 2.5mA.
Cea mai mare parte a porturilor de pe PC-uri, laptop-uri, hub-uri alimentate din exterior se consideră “High Power”, în timp ce porturile de pe hub-uri care nu primesc altă putere decât cea furnizată de către gazdă, sunt considerate “Low Power”.

Figura 3: Încărcător smart dual-input cu monitorizarea temperaturii. Circuitul MAX8934 ajustează automat curentul de încărcare și tensiunea maximă pentru încărcare în siguranță. Integrează toate circuitele de încărcare și comutare între sursele de putere și baterie (Maxim Integrated).

Specificația BC1.1 merge dincolo de distribuția energiei electrice descrise în USB 2.0, prin definirea surselor suplimentare de alimentare pentru încărcare. Aceasta definește 3 tipuri diferite de surse:
1. Port aval standard (SDP- Standard Downstream Port). Acesta este același port definit de spec. USB 2.0 și este forma tipică găsită în computere desktop și laptop. Curentul max. de sarcină este 2.5mA când este suspendat, 100mA atunci când este conectat dar nu este suspendat și 500mA (max) când este configurat pentru acest curent. Un dispozitiv poate recunoaște un SDP prin hardware detectând că liniile de date USB, D+ și D-, sunt puse la GND, separat prin 15kΩ, încă compatibil USB.
2. Încărcarea prin port aval (CDP – Charging Downstream Port). Specificația BC1.1 definește curent mai mare pentru un port USB în PC-uri, laptop-uri și alte dispozitive. Acum, CDP poate livra până la 1.5A, care este o abatere de la USB 2.0. Un dispozitiv conectat într-un CDP poate recunoaște posibilitatea de încărcare la conectarea hardware prin monitorizarea liniilor D+ și D-. Testul hardware are loc înainte de a porni comunicația de date pe liniile USB transceiver, permițând astfel pentru a fi detectat un CDP (și începerea încărcării).

Figura 4: Încărcător smart power selector eficient energetic, care operează fără baterie sau cu baterie adânc descărcată când se conectează la o sursă externă. Circuitul MAX8903A optimizează încărcarea, folosind sursa de putere care nu se utilizează în sistem. Nu necesită MOSFET-uri, diode sau rezistoare de sesizare pentru a simplifica proiectarea și a reduce gabaritul (Maxim Integrated).

3. Port dedicat de încărcare (DCP – Dedicated Charging Port). Specificația BC1.1 des­crie sursele de alimentare precum cele de pe perete și adaptoare auto care fac încărcarea fără nicio comunicare digitală. DCP poate furniza până la 1.5A și sunt identificate printr-un scurtcircuit între liniile D+ la D-. Acest lucru permite crearea de dispozitive DCP, de tip priză de perete care prezintă un conector USB mini sau micro. Astfel de adaptoare gen priză permit să fie folosite pentru încărcarea bateriilor din dispozitive mobile. Detalii suplimentare cu privire la aceste tipuri de porturi USB sunt în Battery ChargingSpecification, Rev 1.1, 4/15/2009 (BC1.1) www.usb.org

USB – Privire de ansamblu

USB asigură comunicația serială între dispozi­tive periferice și un controler gazdă (uzual, un PC). USB transmite serial semnalele prin cablu de date cu perechi de fire torsadate, cu impedanță caracteristică 90Ω ±15%, etichetate D+ şi D-. Înainte de specificația USB 3.0, se utilizează versiunea de semnale semi-duplex diferențial pentru a reduce efectele zgomotului electromagnetic pe fire mai lungi. Nivelurile semnalului transmis sunt 0.0 la 0.3V, pentru nivel logic LOW și 2.8 la 3.6V pentru nivel HIGH, pentru modurile cu lățime de bandă completă și lățime de bandă mică (fără terminatoare la cabluri), și respectiv -10 la 10mV pentru nivel LOW și 360 la 440mV pentru nivel HIGH în modul lățime de bandă ridicată (cu rezistoare de 45Ω la masă, sau 90Ω în modul diferențial, pentru redu­cerea interfe­renței datorată reflexiilor semnalelor).
USB are, în prezent, 3 versiuni: USB 1.0 (anul 1996) cu viteze de 1.5Mbit/s (Low-Band) și 12Mbit/s (Full-Band) pentru dispozitive pe­riferice gen mouse, tastatura, joystick, printere și scanere, USB 2.0 (anul 2000) cu viteză crescută la 480Mbit/s (Hi-speed), USB 3.0 (anul 2008) cu viteză până la 5 Gbit/s (SuperSpeed). USB 1.0 și USB 2.0 au același pinout. USB 3.0 are un conector cu pinout extins, dar este compatibil în spate cu USB 2.0.
USB 2.0 utilizează un cablu cu 4 fire răsucite și ecranate: 2 fire pentru putere (+5V, în gama 4.75V la 5.25V și GND, curent max. 500mA) și 2 fire pentru semnalul diferențial D+ și D-).

Figura 5: Încărcător cu intrare duală (USB/ adaptor AC/DC) cu prioritate AC. Circuitul monolitic L6924U, complet (MOSFET, diode, rezistor de sesizare, protecție termică) operează cu tensiune de intrare 2.5…12V, curent de încărcare 1A (din adaptor), 2 ieșiri open colector utilizate la semnalizări sau comunicație cu un MCU. Monitorizează și protejează bateria la supraîncălzire. Capsulă VFPQFPN 16 pini, 3 × 3 × 1mm (ST Microelectronics).

O schemă NRZI (Non Return to Zero Invert) se folosește pentru a transmite date cu un mesaj de sincronizare prin care se sincronizează ceasurile. USB 2.0 prevede o lungime de max. 5m a cablului ce lucrează la viteză ridicată. USB 3.0 introduce 2 perechi suplimentare de fire răsucite, ecranate și noi contacte cel mai adesea interoperabile, rata de date transmise fiind mai mare și funcționarea full duplex.
USB On-the-Go, disponibil pentru High-Speed USB 2.0, abordează necesitatea tot mai mare de interconectare prin USB a dispozitivelor mobile, permițând ca un periferic să comunice direct cu un alt periferic USB. Odată cu introducerea SuperSpeed USB 3.0, USB On-the-Go va fi disponibil în curând pentru dispozitivele mobile viitoare, sprijinind capabilitatea de 5 Gbp/s.
Fiecare controler gazdă poate sprijini un număr de max. 127 dispozitive, iar un dispozitiv gazdă (ex.PC) poate avea multiple controlere. În prezent, pe lângă cele 7 tipuri de conectoare USB 1.0 și USB 2.0: Standard -A, Standard-B, Mini-A, Mini-B, Micro-A, Micro-AB, Micro-B, au apărut încă 3 tipuri de conectoare pentru USB 3.0: conectoarele 9 pin USB 3.0 Standard-A, Standard-B și 11 pin USB 3.0 Powered-B.

Ceea ce trebuie știut despre USB

Unele caracteristici ale USB, care nu sunt evidente, dar pot influența puterea livrată.
Porturile USB nu limitează curentul.
Deși specificațiile USB oferă detalii cu privire la cât de mult curent trebuie să dea un port, dispozitivul de protecție acționează când se depășește pute­rea totală a tuturor porturilor, având în mod frecvent o singură protecție pentru toate porturile din sistem. Deci, un sistem cu 4 porturi poate furniza chiar 2A de la un port în cazul în care alte porturi nu sunt încărcate. Unele sisteme au limitare prin siguranțe cu revenire (polyfuse sau polyswitch) la încetarea depășirii curentului.
Porturile USB au rar specificată puterea maximă la care s-ar putea opri sursa de alimentare.
În practică, nu se oprește gazda de alimentare pentru USB decât pentru un defect electric (cum ar fi un scurtcircuit). Deci, indiferent dacă are loc sau nu are loc dialogul între un periferic USB și gazdă, va fi disponibilă o alimentare cu 5V (la 500mA sau la 100mA sau poate 2A). Aceasta situație a făcut să apară pe piață dipozitive de iluminat la citit, de încălzit cafea și alte elemente similare alimentate din USB, dar care nu au capaci­tatea de comunicare.
Ele nu pot să fie “conforme” cu specificațiile, dar ele funcționează cu energia data de un port USB.

Multe firme producătoare de semiconductoare au în portofo­liul lor circuite pentru managementul puterii, inclusiv prin USB.

ECAS

ELECTRO ( www.ecas.ro) oferă produse de la Linear Technology ( www.linear.com), Maxim Integrated ( www.maximintegrated.com), ST Microelectronics ( www.st.com), Texas Instruments ( www.ti.com).

Autor:

Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre