Pe măsură ce dispozitivele electronice portabile s-au extins în piețele de consum și industriale, a crescut și numărul de conectori. Diferitele standarde USB (Universal Serial Bus) combinate cu conectorii brevetați de către producători, au dus la apariția unei varietăți de cabluri incompatibile, care, toate, îndeplineau funcții similare. Pentru a trece la o singură soluție unificată, a existat un efort susținut de Uniunea Europeană, precum și de unii lideri din industrie, în vederea simplificării lucrurilor, a îmbunătățirii experienței utilizatorilor și a reducerii costurilor și a risipei.
Mulți văd în USB Type-C® (USB-C®) prima soluție de conectare completă, capabilă să răspundă cerințelor dispozitivelor, de la telefoane mobile și tablete până la Ultrabook-uri și electronice de consum, cum ar fi difuzoarele și periuțele de dinți. Indiferent dacă un proiect necesită o conexiune pentru transferul de date, încărcare la putere mică sau mare sau moduri alternative, cum ar fi ieșirea audio și video, USB-C poate asigura toate acestea.
Chiar dacă povara complexității legate de cabluri a fost înlăturată de la utilizatorul final, aceasta a adăugat unele complicații în procesul de proiectare. Pentru proiectanții deja familiarizați cu USB-C și pentru cei care fac tranziția către acest standard, esențial este accesul la o gamă largă de soluții care simplifică procesul de proiectare și accelerează integrarea sistemului, asigurând în același timp cerințele de furnizare a energiei, ratele de date și modurile alternative ale proiectelor lor specifice.
Unificarea conectorilor
Pe măsură ce tot mai multe dispozitive apăreau pe piață, multe dintre ele aveau conectori adaptați la nevoile producătorului. În unele cazuri, aceștia erau standard, chiar dacă unii erau brevetați de producători. În multe cazuri, și mai ales pentru dispozitivele mai mari, cum ar fi laptopurile, conectorii pentru date și pentru alimentare erau complet diferiți, fiecare dintre aceștia necesitând o mufă și un cablu separate.
Figura 1: Standardul USB a evoluat de-a lungul timpului pentru a răspunde nevoilor în schimbare ale utilizatorilor și dispozitivelor (Sursa: Texas Instruments)
Din punctul de vedere al consumatorului, era incomod să fie nevoit să aibă la el mai multe încărcătoare și cabluri, în special în timpul călătoriilor. Pe măsură ce dispozitivele erau modernizate, tipul de conector se schimba adeseori (de exemplu, de la mini-USB la micro-USB), ceea ce însemna că milioane de cabluri și încărcătoare ajungeau la groapa de gunoi în fiecare an.
Pe măsură ce dispozitivele se reduceau în dimensiuni și creșteau în performanță, era nevoie de mai multă putere (pentru a se încărca mai repede) și de un debit de date mai mare. Acest lucru a determinat USB Implementers Forum să creeze standardul USB-C, care a răspuns acestor nevoi pentru dispozitivele actuale.
USB-C se referă la designul mecanic al conectorului, deoarece comunicațiile de date sunt stipulate în standardele USB 3.x și USB 4.0, precum și în protocoale precum Thunderbolt™. Conectorul USB-C este cu 60% mai mic decât conectorii USB-A mai vechi; în ciuda acestei dimensiuni, conține mai mulți conductori, precum și valori nominale de tensiune și curent mai mari și o lățime de bandă îmbunătățită.
Figura 2: Conectorul USB-C include mult mai mulți conductori decât generațiile anterioare (Sursa: Texas Instruments)
USB-C a introdus un design simetric care, spre deosebire de generațiile USB anterioare, asigură o împerechere corectă de fiecare dată. Astfel, se elimină deteriorările cauzate de introducerea greșită efectuată cu multă forță. În plus, conectorii au fost testați până la 10.000 de inserții, ceea ce este mult mai durabil decât un conector USB-A. Cu acest nivel de rezistență, cablurile pot fi utilizate pentru perioade mai lungi de timp, reducând semnificativ numărul celor trimise la gunoi.
USB-C Power Delivery (PD) și modurile alternative USB-C
Designul USB-C a permis adăugarea unor capabilități suplimentare la interfața USB, inclusiv abilitatea de a livra energie, video și audio.
USB Power Delivery (USB PD) extinde capabilitățile de date ale interfeței USB pentru a permite ca energia și datele să fie furnizate în același timp prin același cablu. La fel ca și alte standarde, USB PD a evoluat în timp pentru a ține pasul cu nevoile în schimbare ale tehnologiei. În 2021, a fost anunțată versiunea 3.1, care a crescut puterea disponibilă de la 100W la 240W. În același timp, au fost anunțate noi tensiuni de 28V, 36V și 48V, care s-au adăugat la cele de 5V, 9V, 15V și 20V disponibile la versiunile anterioare.
O altă schimbare esențială în cadrul acestei revizuiri a fost introducerea transferului de energie bidirecțional, astfel încât energia să poată fi partajată în cadrul unui sistem USB pentru a satisface cererile de vârf pe termen scurt. De exemplu, un dispozitiv care primește energie de la un hub USB poate returna energia către hub în timp ce un HDD consumă o cantitate semnificativă de energie în timp ce se învârte.
Cu această creștere a puterii, mai multe dispozitive pot beneficia de USB PD, inclusiv laptopurile mari care necesită mai mult de 100 W. Un monitor alimentat de la rețea poate acum să furnizeze energie laptopului în timp ce primește date video prin același cablu USB.
USB-C nu se limitează doar la datele care sunt conforme cu protocolul USB. Modul USB-C Alt (alternativ) permite transferul altor protocoale − inclusiv DisplayPort − prin intermediul unei conexiuni USB-C. Acest lucru permite conectarea surselor video (de exemplu, computere, playere cu discuri Blu-ray) la display-uri adecvate, cum ar fi televizoare, monitoare și proiectoare. Similar, interfața Thunderbolt poate utiliza modul Alt pentru a opera prin intermediul unei interfețe USB.
Nu toate porturile USB-C dispun de funcționalitatea USB-C DisplayPort, întrucât conectorul este identic și nu este necesară etichetarea mufei ca atare. Diferența este determinată de chipset-ul care este utilizat în cadrul dispozitivului (dispozitivelor). Prin urmare, verificarea specificației este singura modalitate de a asigura funcționalitatea.
USB-C este o interfață foarte versatilă, capabilă să opereze cu rate de transfer de date ridicate pentru USB. De asemenea, poate fi conectată în ambele sensuri, poate transporta o putere de până la 240 W și poate acționa ca gazdă pentru alte protocoale de mare viteză. În timp ce acest lucru aduce mari beneficii utilizatorului, generează, totuși, unele provocări pentru proiectanți. Conectorul mai mic poate crește constrângerile de asamblare, iar pasul de 0,5 mm al pinilor crește riscul de scurtcircuit în comparație cu pasul de 2,5 mm al pinilor conectorilor USB de tip A. În plus, în timp ce adoptarea pe scară largă a unei interfețe fizice unice permite utilizatorilor să conecteze între ele nenumărate dispozitive cu hardware, software și tensiune de sistem diferite, aceasta permite, de asemenea, conectarea la surse de alimentare necorespunzătoare. Inginerii depășesc aceste provocări prin combinarea diverselor circuite discrete de protecție a porturilor, dar o astfel de abordare poate necesita mult timp și crește spațiul pe placă și complexitatea sistemului.
Gama USB-C de la TI
Texas Instruments (TI) oferă o gamă cuprinzătoare de produse pentru USB Type-C, care acoperă funcționalități suplimentare, cum ar fi USB PD și Alt Mode. Având la dispoziție mai multe opțiuni și tipuri de dispozitive cu un nivel ridicat de integrare, proiectanții pot implementa rapid și ușor produse bogate în funcții, conforme cu cele mai recente standarde USB.
Figura 3: TPS25750 de la TI este una dintre numeroasele soluții USB Type-C foarte bine integrate cu funcție PD integrată. (Sursa: Mouser Electronics)
Controlerul TPS25750 USB Type-C & PD de la TI integrează căi de alimentare complet gestionate cu protecție robustă pentru o soluție USB-C PD completă. Protecțiile includ curentul invers, supratensiunea, subtensiunea, curentul de pornire (inrush current) și controlul vitezei de variație a semnalului de ieșire (slew rate). Pinii CC sunt toleranți până la 26V pentru a proteja împotriva dispozitivelor neconforme.
TPS25750 înalt integrat include, de asemenea, circuite pentru a controla circuitele integrate externe de încărcare a bateriei prin I2C, simplificând astfel procesul de proiectare. Fiind o soluție complet autonomă, nu este nevoie de microcontroler extern sau de dezvoltare de firmware pentru a implementa o soluție USB-C complet funcțională.
Pentru aplicații mai sofisticate, controlerul TPS65994AE Dual Port USB-C & PD asigură detectarea conectării și orientării cablului pentru doi conectori USB Type-C atunci când este atașat un cablu. Dispozitivul suportă, de asemenea, USB DisplayPort prin Alt Mode, astfel încât, atunci când detectarea cablului și negocierea USB PD sunt finalizate, controlerul facilitează calea de alimentare și configurează setările Alt Mode pentru multiplexoarele externe.
TPS65994 oferă două comutatoare de alimentare de 5V, 3A, 29mΩ cu limitare de curent ajustabilă. Pentru aplicațiile care necesită tensiuni mai mari, controlerul TPS65988DK USB Type-C & PD include o pereche de switch-uri bidirecționale de 5V … 20V, 5A cu limitare de curent până la 10A.
Figura 4: TPS65994 permite proiectanților să creeze cu ușurință soluții USB Type-C duale. (Sursa: Mouser Electronics)
Pentru toate soluțiile USB-C PD de la TI, interfața grafică a utilizatorului (GUI) intuitivă, bazată pe web, colectează informații de bază despre nevoile aplicației, folosind diagrame bloc clare și întrebări simple cu variante de răspuns multiple. Pe baza acestor informații, GUI creează apoi o imagine de configurare pentru aplicația specifică, reducând complexitatea asociată cu soluțiile USB PD alternative.
Suita cuprinzătoare de soluții USB-C de la TI se extinde dincolo de controlerele înalt integrate pentru a include dispozitive periferice, cum ar fi modulul de evaluare (EVM) și de încărcare USB-PD-CHG-EVM-01 PD. Acesta este utilizat pentru a evalua dispozitivele TPS25750 și BQ25792. Acesta din urmă este un dispozitiv integrat buck-boost cu comutație, de gestionare a încărcării bateriei, destinat bateriilor Li-ion și Li-polimer cu 1 până la 4 serii de celule, de la o intrare de 3,6V … 24V.
Multe alte dispozitive din gama TI sunt, de asemenea, utile în dezvoltarea aplicațiilor USB-C, precum dispozitivul TVS2200 Flat-Clamp Surge Protection, utilizat pentru suprimarea fenomenelor tranzitorii pe liniile USB
Concluzie
USB a evoluat considerabil până la cel mai recent USB Type-C, care oferă o conexiune simplă și unificată cu funcționalități suplimentare importante, inclusiv PD și Alt Mode. Impulsionat de o necesitate tehnică și de legislația UE, USB-C devine standardul de-facto pentru conexiunea electrică și de date în majoritatea aplicațiilor de consum și industriale.
Texas Instruments oferă o suită cuprinzătoare de controlere înalt integrate, cu caracteristici și funcționalități care vor satisface nevoile celor mai exigente aplicații, împreună cu dispozitive periferice pentru controlul bateriei și suprimarea fenomenelor tranzitorii. Indiferent dacă sunteți un proiectant USB experimentat sau sunteți la început de drum în acest domeniu, ecosistemul de asistență TI vă va asigura un proces de proiectare fără probleme.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
