Controlerele de consumator USB PD 3 alimentează aplicațiile USB Type-C

Timpul se scurge rapid în ceea ce privește încărcătoarele de dispozitive brevetate, deoarece autoritățile de reglementare regionale vor să impună o soluție de încărcare comună bazată pe un cablu și un conector USB Type-C® standard. Proiectanții de produse care se grăbesc să anticipeze cerințele regionale pentru a respecta acest standard își pot optimiza aplicațiile pentru această nouă eră prin adoptarea controlerelor USB Power Delivery (PD) care negociază alimentarea cu energie între dispozitive și încărcătoare.

După decembrie 2024, în Uniunea Europeană, orice dispozitiv încărcabil prin cablu care necesită până la 100 W (laptopurile sunt exceptate temporar de la acest mandat până în 2026) trebuie să utilizeze portul de încărcare USB Type-C care respectă specificațiile USB PD. Alte mandate pentru adoptarea acestui standard intră în vigoare în 2025 în India și Arabia Saudită, urmate în 2026 de California.

USB Type-C singur poate furniza doar 5 V la 3 A, oferind în total 15 W. Pentru a atinge 100 W sunt necesare specificațiile USB PD 3.0 sau USB PD 3.1, care garantează că conectorii Type-C pot negocia tensiuni mai mari, transferând în același timp date de mare viteză.

USB PD 3.0 suportă o putere de până la 100 W și tensiuni fixe de 5 V, 9 V, 15 V și 20 V, cu un curent maxim de 5 A. Specificația USB PD 3.1 actualizată prezintă o gamă extinsă de putere (EPR) și o sursă avansată de tensiune (AVS), crescând puterea de ieșire până la 240 W și adăugând trei noi tensiuni fixe de 28 V, 36 V și 48 V.

Specificațiile USB PD 3.x îmbunătățesc versiunile anterioare PD 2.0 cu o creștere a cantității de informații schimbate între un consumator (dispozitivul care primește energie) și o sursă (dispozitivul care furnizează energie), prin includerea factorilor care pot afecta aplicația, cum ar fi starea de încărcare a bateriei dispozitivului, temperatura bateriei, defecțiunile și supratensiunea.

Puterea de 100 W furnizată prin USB PD 3.0 este suficientă pentru a încărca unele laptopuri, monitoare și chiar unele televizoare. De asemenea, USB PD acceptă ieșire video și audio, inclusiv DisplayPort și HDMI, și protocoale de transfer de date precum Thunderbolt 3.

Disponibilitatea aplicațiilor îmbunătățite

Proiectanții de produse pot profita de USB PD 3.x pentru a oferi utilizatorilor o experiență mai bună, cu încărcare și transfer de date mai rapide și compatibilitate cu dispozitivele cu un singur cablu și un conector. Aceștia își pot asuma reducerea deșeurilor electronice care se acumulează în urma utilizării de către consumatori și întreprinderi a mai multor cabluri și încărcătoare pentru încărcarea mai multor dispozitive.

Tehnologia permite proiectanților să simplifice proiectele, cu mai puține porturi și componente. În plus, aceștia pot reduce costurile de producție și de expediere prin eliminarea greutății și a ambalajului suplimentar al încărcătoarelor, precum și a timpului și efortului necesare pentru actualizarea noilor încărcătoare specifice dispozitivelor.

Prin utilizarea unui singur cablu și a unui singur conector pentru mai multe funcții, proiectanții se pot concentra pe crearea de aplicații noi și îmbunătățite care utilizează puterea și vitezele de date ridicate oferite de USB Type-C PD. De asemenea, proiectanții pot îmbunătăți experiența utilizatorului și funcționalitatea produselor lor cu caracteristici suplimentare, cum ar fi stații de andocare, hub-uri și convertoare care extind conectivitatea și compatibilitatea dispozitivelor.

Pentru dezvoltarea de aplicații noi care utilizează USB PD 3.0, designerii de produse se confruntă cu unele provocări, cum ar fi respectarea specificațiilor USB PD și asigurarea interoperabilității cu alte dispozitive și încărcătoare.

Prevenirea daunelor sau vătămărilor cauzate de supratensiune, supracurent sau polaritate inversă este un alt aspect critic, mai ales că soluțiile care utilizează această tehnologie utilizează circuite și firmware mai complexe decât generațiile anterioare. La depășirea acestor provocări contribuie controlerele de alimentare cu energie care acceptă mai multe protocoale și configurații, precum și plăcile de evaluare care permit prototiparea și verificarea rapide.

Punerea în practică a avantajelor USB Type-C PD

Un element cheie al USB PD 3.0 este capacitatea de a negocia și gestiona furnizarea de energie între un consumator și o sursă de alimentare prin utilizarea unui protocol standardizat. Controlerele consumatoarelor USB PD negociază cu o sursă USB PD, de exemplu, un încărcător, pentru a obține profilul de putere al unui dispozitiv. Dispozitivele conforme pot solicita și furniza diferite tensiuni și diferiți curenți în funcție de nevoile și capacitățile lor și pot ajusta dinamic nivelurile de putere în timpul funcționării.

Procesul de negociere și gestionare a furnizării de energie constă în patru etape:

• Descoperirea are loc atunci când consumatorul și sursa se identifică reciproc ca dispozitive compatibile USB PD și stabilesc un canal de comunicare a datelor prin pinii canalului de configurare (CC) de pe conectorul USB Type-C.
• Schimbul de capacități are loc atunci când sursa își identifică profilurile de putere acceptate – nivelurile de tensiune și curent – către consumator, care solicită apoi un profil ce corespunde cerințelor sale.
• Contractul de putere este un proces prin care sursa acceptă sau respinge solicitarea consumatorului. Dacă este acceptată, sursa începe să furnizeze consumatorului energia solicitată utilizând parametrii de putere conveniți.
• Actualizarea regulilor de putere permite consumatorului sau sursei să inițieze o nouă negociere a puterii pentru a se adapta la modificările nivelului bateriei sau ale sarcinii consumatorului, sau la modificările puterii de intrare a sursei.

USB PD 3.0 utilizează mesaje extinse, care guvernează schimbul de informații între un receptor și o sursă, cum ar fi starea bateriei, temperatura sau date specifice producătorului. De asemenea, acesta suportă modul de alimentare programabilă (PPS), permițând un control mai fin al tensiunii și curentului de ieșire al sursei și comutarea fără întreruperi a rolurilor de alimentare între consumator și sursă fără a întrerupe comunicarea datelor.

O altă funcție cheie a USB PD 3.0 este încărcarea inversă, care permite unui dispozitiv cu o capacitate mai mare a bateriei să încarce un dispozitiv cu o capacitate mai mică a bateriei, indiferent de rolul lor energetic. Astfel, de exemplu, cu același cablu USB Type-C, un laptop poate încărca un smartphone sau același smartphone poate încărca o pereche de căști, un avantaj evident pentru utilizatorii de dispozitive care pot avea un singur cablu pentru încărcarea mai multor dispozitive.

Este posibil ca încărcarea inversă să nu fie compatibilă cu toate dispozitivele sau încărcătoarele. În plus, aceasta poate cauza reducerea duratei de viață a bateriei dispozitivului care funcționează ca sursă și poate crește complexitatea și costul proiectării circuitului. Așadar, ca în cazul tuturor aplicațiilor electronice, proiectanții de produse trebuie să evalueze compromisul implementării încărcării inverse pentru a se asigura că respectă specificațiile USB PD 3.x și să testeze interoperabilitatea cu o gamă largă de dispozitive și încărcătoare.

Controlere de consumator USB 3

Pentru a activa funcționalitatea USB PD 3.x în dispozitivele lor, proiectanții de produse pot utiliza controlere de consumator dedicate care acceptă protocolul și gestionează comunicarea cu dispozitivul sursă.

Diodes Incorporated oferă soluții extrem de integrate și rentabile care oferă încărcare rapidă, încărcare inversă, modul PPS și alte caracteristici ale USB PD 3.x. De asemenea, acestea suportă protocoale tradiționale precum Qualcomm Quick Charge 4+ și Huawei FCP/SCP, asigurând compatibilitatea cu o gamă largă de încărcătoare și adaptoare.

AP33771 (Figura 1) este un controler USB PD 3.0 care dispune de firmware compatibil cu USB PD 3.0 și o interfață cu un meniu de alimentare preîncărcat, ceea ce simplifică utilizarea. Acesta oferă un canal de ieșire care poate furniza putere de până la 27 W.

Figura 1: Atribuirea pinilor controlerului de consumator AP33771. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

AP33772 (Figura 2) este un controler USB PD 3.0 care utilizează o interfață I²C și un firmware încorporat pentru a negocia alimentarea și tensiunea. Acest lucru oferă proiectanților o mai mare flexibilitate pentru a implementa toate funcțiile de consumator PD. De asemenea, oferă două canale de ieșire care pot furniza putere de până la 45 W și are un circuit de protecție la supratensiune (OVP) încorporat pentru fiecare canal, care poate preveni deteriorarea dispozitivului în cazul unui încărcător sau cablu defect.

Figura 2: Controlerul de consumator AP33772 de la Diodes are aceeași dimensiune ca și AP33771, dar cu alocări diferite ale pinilor. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

În plus, Diodes oferă un controler USB PD 3.1, AP33771C, care acceptă EPR/AVS până la 28 V și o gamă de putere standard (SPR)/PPS de până la 21 V.

Fiecare dintre aceste controlere oferă un consum redus de energie în standby, eficiență ridicată și caracteristici de protecție termică. Acestea sunt disponibile în capsule W-QFN4040-24 (4 mm x 4 mm) cu amprentă redusă, ceea ce le face potrivite pentru dispozitive compacte și portabile.

În plus, Diodes oferă două plăci de evaluare pentru controlerele sale USB PD 3.0. AP33771-EVB și AP33772-EVB sunt concepute pentru aplicații de încărcare utilizând un dispozitiv echipat cu conector Type-C și un încărcător sau adaptor PD echipat cu conector Type-C. AP33771-EVB utilizează o setare simplă a rezistorului pentru negocierea USB-PD, în timp ce AP33772-EVB utilizează I²C.

Concluzie

USB Type-C este pe cale să devină standardul global pentru conectivitatea datelor dispozitivelor. Protocoalele USB PD 3.x oferă proiectanților de produse o cale de a crea aplicații care oferă mai multă energie, încărcare mai rapidă și un transfer de date mai bun pentru dispozitivele lor, utilizând conectori și cabluri acceptate la nivel global, eliminând necesitatea încărcătoarelor specifice dispozitivelor. Cu soluțiile oferite de Diodes Incorporated, proiectanții de produse pot integra cu ușurință USB PD 3.0 sau PD 3.1 în dispozitivele lor, pentru a spori performanța și a îmbunătăți experiența utilizatorului.