USB a avut întotdeauna abilitatea de a livra putere, atât timp cât au fost suficiente o tensiune de 5V și un consum de curent < 1.5 A. Acest lucru a limitat factorii de formă anteriori, de tip A și tip B, la alimentarea dispozitivelor electronice mici, cum ar fi stick-urile de memorie sau tastaturile, sau la încărcarea lentă a dispozitivelor portabile, cum ar fi telefoanele mobile. Cu USB-C™ vine și un nou standard, Power Delivery (PD), care permite sursei sau consumatorului să „negocieze” o putere de până la 100W pentru un domeniu de tensiune cuprins între 5 – 20V. Acest lucru înseamnă că priza compactă USB-C poate alimenta cu energie electrică mult mai multe produse decât era posibil anterior, inclusiv dispozitive de stocare externe, telefoane, PC-uri, instrumente electrice, dispozitive medicale și multe altele. Cu o putere de 100W, aproape orice dispozitiv care încape în mașina voastră electrică poate fi încărcat prin intermediul unui port USB-C (din păcate nu și bateria mașinii în sine – scuze!).
Industria PC-urilor și a telefoanelor mobile a adoptat rapid USB-C, multe sisteme terminale aflându-se în producție chiar astăzi. De remarcat este că și iPhone utilizează Power Delivery prin intermediul conectorului Lightning, iar pe telefoanele cu Android, conectorul USB-C este implementat în majoritatea modelelor noi. Inițial, dispozitivele care utilizau USB-C și Power Delivery erau complicate, implicând multe componente externe și instrumente software pentru configurare. În prezent, au apărut noi oferte de produse din industria semiconductoarelor care elimină incertitudinile legate de proiectarea bazată pe USB-C. Deci, de ce este nevoie astăzi pentru a integra USB-C în produsul vostru?
De ce este nevoie într-un proiect USB-C PD?
Figura 1: Diagrama bloc pentru portul USB-C utilizat exclusiv ca sursă de alimentare pentru încărcare
În proiectarea oricărui produs, primul pas este de a defini setul de caracteristici dorit. Acest lucru este valabil mai ales într-un sistem USB-C cu Power Delivery, deoarece activarea funcțiilor PD are un impact direct asupra costului sistemului. PD în sine adaugă costuri suplimentare sistemului, deci produsul final, care beneficiază de această capabilitate – Power Delivery – trebuie să-și justifice prețul.
USB-C este versatil și acceptă tipuri de date suplimentare față de celelalte versiuni USB, așadar, este necesară o înțelegere a întregului sistem pentru a selecta componentele USB-C corespunzătoare. Dacă produsul final este un dispozitiv de stocare sau un încărcător de acumulatori, atunci nu este necesar să ridicați costul sistemului prin utilizarea unui firmware pentru implementarea modului video alternativ (Alt Mode). În schimb, dacă sistemul este un monitor, care se va conecta la un laptop compatibil cu DisplayPort, în proiectare trebuie incluse controlerele de port și componentele specifice. Deoarece componentele portului USB-C includ protocoalele PD/USB, date și alimentare, soluția sistemului va include atât un controler de port USB-C PD, cât și componente analogice și de alimentare.
Una dintre cele mai simple implementări USB-C este portul de încărcare. În acest caz, sistemul este creat pentru a alimenta și/sau a încărca dispozitivele care se conectează la USB. Un exemplu al acestui tip de sistem este o priză de încărcare pentru scaunele din spate de la o mașină, o baterie pentru uneltele electrice sau un încărcător simplu dintr-o locuință.
În acest exemplu, lista principalelor componente necesare (Bill of materials – BOM) pentru implementarea sistemului este relativ scurtă:
- Controler de port USB-C – Negociază contractul de conectare și alimentare.
- Convertor DC/DC – Convertește tensiunea de intrare în tensiunea Vbus cerută de contractul PD.
- Comutator de sarcină – Furnizează 5V prin Vbus către conector și comută pe tensiunea Vbus corespunzătoare odată ce contractul PD este stabilit. Uneori, este combinat cu convertorul DC/DC.
- LDO – reglează tensiunea la controlerul de port deoarece convertorul DC/DC poate fi solicitat să furnizeze între 5V și 20V.
- Conector USB-C
Selectarea controlerului de port din exemplul de mai sus, necesită ca acesta să poată gestiona toate negocierile cu dispozitivul conectat. Controlerele moderne independente, precum cele de la Microchip, includ cel puțin următoarea listă de caracteristici:
- Suport pentru conectorul USB-C cu detecție și control al conexiunii
- MAC conform cu USB Power Delivery 3.0
- Firmware pre-programat pentru Power Delivery
- Suport pentru toate variantele PD standard (15/27/45/60/100W)
- Integrarea unor componente analogice specifice care reduc costul BOM și complexitatea proiectării.
Exemplele necesare pentru conectare includ:
- FET-uri VCONN cu comutare Rp/Rd
- Terminal Rd de baterie consumată
- Detecție de curent programabilă pentru condiții de supracurent
- Detecția tensiunii pentru condiții de supratensiune
- Caracteristici adecvate de temperatură pentru aplicație
Deoarece acesta este doar un exemplu de încărcare, nu sunt necesare alte controlere de sistem. Deși unii furnizori oferă dispozitive programabile, alegerea logică pentru o soluție exclusiv de încărcare este un produs pre-programat, fără cerințe software și configurații de sistem realizate prin conexiuni fizice pe PCB-ul dispozitivului (punți electrice la masă sau Vcc). Atât timp cât controlerul este compatibil cu PD 3.0, utilizatorul va avea acces la toate versiunile PD standard de alimentare: 15W/27W/45W/60W/100W.
Figura 2: Diagrama bloc pentru conexiunea USB-C ca sursă de alimentare și transfer de date prin USB 2.0
În ceea ce privește convertorul DC/DC, alegerea tipului de convertor depinde în mare parte de tensiunea de intrare. Sursa de alimentare trebuie să poată furniza întotdeauna o tensiune de ieșire de la 5 la 20VDC pentru a fi pe deplin compatibilă cu PD. Pentru un sistem care are o intrare de 24VDC sau o tensiune mai mare de 20VDC, o configurație clasică de reducere a tensiunii poate oferi o soluție eficientă economic. Pentru sistemele alimentate cu niveluri reduse de tensiune DC sau pentru cele alimentate offline în curent alternativ, vor fi necesare tipologii alternante.
Exemplul din Figura 1 a fost modificat și este prezentat în Figura 2. În acest caz, proiectantul a ales să ofere suport USB 2.0 pentru gazdă pentru transferul de date, deoarece produsul său existent are un microcontroler cu suport USB 2.0 nativ. Rețineți că blocul pentru controlerul de port nu necesită nicio conexiune la magistrala de date USB 2.0. Nu sunt necesare componente suplimentare, iar lista de materiale pentru implementare a portului USB-C este aceeași cu cea de la soluția de încărcare. USB 3.0 ar putea fi, de asemenea, adăugat prin simpla integrare a unui multiplexor USB 3.0 (pentru a permite introducerea reversibilă a conectorului USB-C), cu condiția ca microcontrolerul/controlerul de sistem să accepte USB 3.0. În acest exemplu, utilizarea unui controler independent de port USB-C pre-programat este, de asemenea, cea mai simplă soluție pentru adăugarea unui singur port USB-C la o ofertă de produse existente.
La nivelul superior al arhitecturilor USB performante se află sistemul bazat pe hub prezentat în Figura 3. Designul bazat pe hub oferă cea mai mare flexibilitate și performanță oricărei arhitecturi USB, eliminând în același timp sarcina comunicațiilor din procesorul central. Acest tip de sistem este utilizat în mod obișnuit în adaptoarele multi-port pentru PC și monitoare, consolele centrale auto și în orice loc în care sunt necesare mai multe conexiuni USB. La fel ca în exemplele anterioare, la începutul proiectării acestui design se determină setul de caracteristici. În cazul utilizării unui computer, există posibilitatea ca semnalele video să fie transmise prin portul USB-C, care necesită suportul pentru funcțiile Alt Mode. Astfel, în comparație cu exemplele prezentate mai sus de încărcare simplă sau încărcare plus transmisie de date, controlerul de port în acest caz trebuie să fie capabil să suporte funcțiile Alt Mode, iar sistemul trebuie să conțină circuitele necesare pentru a gestiona direcția și interpretarea protocolului care traversează canalele Alt Mode.
Figura 3: Arhitectură bazată pe Hub USB cu porturi Tip-A, porturi Tip-C și suport pentru modul video alternativ (Alt Mode)
Utilizarea unui „SmartHub” multi-port, în acest caz, oferă proiectanților un design mai eficient la nivel de sistem. Deși proiectantul ar putea achiziționa pur și simplu un controler de port mai bogat în funcții și să le trateze independent, utilizarea controlerului de port în interiorul hub-ului reduce costurile și supraîncărcarea procesorului. Acest lucru este valabil mai ales în sistemele multi-port în care coordonarea transferului datelor sau consumul de energie sunt importante.
Acest exemplu ilustrează o versiune evoluată a modalității de control al porturilor, care este din ce în ce mai răspândită pe măsură ce USB-C devine mai prezent, în mod nativ, în cadrul controlerelor și procesoarelor. Toate funcțiile USB-C, precum gestionarea politicilor de port, alimentare cu PD, suport pentru modul video alternativ și suportul de afișare, se află în hub. În această arhitectură, controlerul independent de port este înlocuit cu un transceiver, care conține stratul fizic al interfeței USB-C, similar modului în care sunt proiectate rețelele Ethernet.
Pentru a sprijini funcția Alt Mode, proiectul include un multiplexor extern transversal, care redirecționează datele video către un conector DP (DisplayPort) pentru a permite conectarea monitorului extern. Sistemul arată, de asemenea, combinația practică de conectori USB-A și USB-C utilizați uzual în sistemele existente.
Pentru a răspunde preocupărilor actuale din ce în ce mai mari cu privire la securitatea datelor și a rețelei, acest design conține și un circuit integrat pentru securitate, care permite actualizări sigure ale firmware-ului sistemului. Dispozitivele cu un nivel de securitate ridicat, precum ECC608A de la Microchip, îi permit proiectantului să asigure securitatea codului prin utilizarea criptării NIST, AES-128 și a hash-ului SHA-256 și HMAC, fără ca nici măcar producătorul să cunoască cheia proprietarului.
Componentele adăugate la lista de materiale necesare sistemului din exemplele de mai sus sunt:
- SmartHub multi-port USB – Conține controler și conexiuni USB multiple
- Multiplexor transversal – Distribuie diferite canale de date către destinații diferite
- Conector DP – Se conectează la afișajul video
- Conector USB de tip A
- Sursă de alimentare pentru USB de tip A
- Circuit integrat pentru securitate – Permite actualizări securizate de cod pentru hub
- Transmițător USB-C pentru fiecare port
- Convertor DC/DC pentru fiecare port USB-C PD
Utilizarea unui SmartHub USB cu funcția Power delivery integrată permite și alte funcții la nivel de sistem. Sistemele avansate care conțin tehnologia HostFlex, în care orice port de tip C poate deveni gazda sistemului, oferă noi niveluri de flexibilitate și funcționalitate, permițând utilizatorilor să preia comanda funcțiilor de ieșire și de afișare, indiferent de portul la care sunt conectați. Distribuirea echilibrată puterii electrice (Power Balancing) permite, de asemenea, o flexibilitate sporită a sistemului, datorită conștientizării puterii totale disponibile și implementării unui algoritm definit de utilizator pentru a repartiza această putere. Utilizatorii pot decide dacă puterea electrică pentru alimentare este livrată în ordinea conexiunii, în funcție de tipul dispozitivului, în funcție de numărul de dispozitive conectate sau în funcție de o combinație a acestora. Tehnologia pentru implementarea acestor caracteristici vine de la Microchip SmartHub, care coordonează gestionarea la nivel de platformă a tuturor conexiunilor simultane ale porturilor USB-C PD. La Computex 2018, Microchip a evidențiat caracteristici la nivel de sistem, cum ar fi HostFlex, MultiHost (capabilitate de gazdă concurentă) și PowerBalancing pe cea mai nouă linie de SmartHub-uri multi-port USB 3.1 cu PD integrat.
Concluzie
USB-C este conectorul care, în sfârșit, permite coexistența într-un singur conector a mai multor tipuri de date și a mai multor niveluri de putere. Funcțiile avansate ale sistemului, cum ar fi HostFlex și Power Balancing, pot fi implementate cu ușurință utilizând un design SmartHub, în timp ce circuitele de încărcare de bază pot fi implementate cu controlere de port simple, prin adăugarea unor punți electrice. Dispozitivele viitoare vor continua să crească nivelul de integrare precum și ușurința de implementare.
Proiectanții nu trebuie să evite sarcina de a introduce formatul USB-C în proiectele dezvoltate, deoarece companiile de semiconductoare, precum Microchip, produc acum controlere de port unice și extrem de capabile, transceivere și convertoare DC/DC dedicate, precum și suportul necesar pentru a face procesul de proiectare simplu și cu risc redus.
Autor
Daniel Leih
Microchip Technology | https://www.microchip.com
Resurse: Centrul de proiectare SmartHub IC de la Microchip