¡Agregue entrega de energía USB Tipo-C a sus diseños!

Introducción

La entrega de energía por USB Tipo-C (PD) se está volviendo cada vez más prevalente en los diseños de hardware, ofreciendo a los dispositivos la capacidad de suministrar o recibir hasta 100W (¡y hasta 240W en la especificación actualizada 2.1!) de potencia. En este artículo, exploraremos los fundamentos de la entrega de energía por USB Tipo-C y aprenderemos cómo incorporar fácilmente un CI PD dedicado en tus propios diseños.

Figura 1 Placa de demostración de USB Tipo-C PD

Los conectores USB y sus respectivos cables, como USB Tipo-A y Tipo-B, han sido el estándar para conexiones de datos y energía durante la mayor parte de la historia de USB. Sin embargo, estas interfaces tienen limitaciones en términos de entrega de energía. En contraste, USB Tipo-C ofrece una solución más versátil con pines capaces de manejar corrientes más altas y pines de canal de comunicación para la negociación de energía.

Figura 2 Conector USB Tipo-C (Fuente: Farnell)

Figura 3 Distribución de pines del conector USB-C (Fuente: All About Circuits)

Los pines que nos interesan, en particular para la entrega de energía, son por supuesto los pines de energía y tierra (VBUS, GND) pero también los pines de canal de comunicación (CC1, CC2). Estos pines CC se pueden utilizar para negociar la energía entre dispositivos (sumideros y fuentes).

No entraremos en detalle respecto a la especificación de PD USB Tipo-C aquí, pero te recomendaría encarecidamente que consultes dos introducciones de Texas Instruments y USB-IF.

Además, asegúrate de ver el video completo sobre el diseño de hardware basado en PD USB Tipo-C aquí.

CI Controlador PD USB Tipo-C

Un método muy simple de utilizar la entrega de energía por USB Tipo-C, en caso de que solo requieras hasta 15W de potencia, es de hecho sin ‘negociación directa’. Esto se logra mediante la conexión a tierra de las líneas CC1 y CC1 a través de resistencias separadas de 5.1kOhm en tu dispositivo que va a recibir corriente. Sin embargo, ten en cuenta que este método no permite verificar si la fuente puede soportar esta potencia.

Figura 4 Resistencias de Pull-Down de 5.1k CC

Un enfoque mejor para incorporar la Entrega de Energía por USB Tipo-C en tus diseños, es mediante el uso de un circuito integrado (IC) controlador de PD USB Tipo-C. Estos circuitos integrados están diseñados para manejar el proceso de negociación y entrega de energía. Varios fabricantes producen estos ICs, ofreciendo diferentes paquetes y capacidades para satisfacer tus requisitos específicos. Asegúrate de usar Octopart para revisar las muchas opciones diferentes de ICs PD USB!

Figura 5 IC PD USB-C de Infineon (Fuente: Infineon)

Nos centraremos en el Infineon CYPD3177, un controlador PD USB Tipo-C capaz de soportar USB PD 3.0 Revisión 2.0, ofreciendo hasta 100 vatios de entrega de energía (solo receptor). Este IC facilita mucho la negociación de diferentes requisitos de voltaje y corriente dentro del protocolo PD USB y no requiere mucha configuración y circuitos externos.

Adicionalmente, el CYPD3177 cuenta con un bloque I²C integrado, lo que te permite controlar el dispositivo usando un controlador anfitrión externo. Esto abre oportunidades para personalizar y ajustar finamente los ajustes de PD USB más allá de los ajustes básicos de voltaje y corriente.

Esquemático

Afortunadamente para nosotros, Infineon proporciona una muy buena hoja de datos, así como una referencia de diseño de hardware para su placa de evaluación. Todos los datos que necesitamos para crear el esquemático están contenidos en esos documentos.

Un esquemático de referencia simplificado se muestra a continuación:

Figura 6 Esquemático de Referencia (Fuente: Infineon)

Entrada de Energía y Conector USB Tipo-C

Las conexiones al conector USB Tipo-C son VBUS, y GND, así como los pines CC1/CC2. Asegúrate de agregar protección ESD (y filtrado, si es necesario) – dependiendo de los requisitos de tu aplicación.

El IC se alimenta a través del pin VBUS_IN (pin 18) y genera internamente sus propios voltajes requeridos, incluyendo un suministro de +3.3V de baja corriente que podemos usar para algunos de los circuitos externos. Esto es muy práctico, ya que el IC no necesita un suministro externo adicional.
Como de costumbre, requerimos algunos condensadores de desacoplamiento en el VCCD (pin 24) y VDDD (pin 23) como se muestra en el esquemático de referencia.

Salida de Energía y FETs

Habrás notado los dos conjuntos de transistores PFET en la parte superior del esquemático. El conjunto más alto es controlado por el IC PD (VBUS_FET_EN, pin 3) para actuar como un interruptor de carga. Una vez que la negociación se completa a través de las líneas CC, el interruptor se cierra para permitir que la energía fluya desde la fuente conectada al conector USB Tipo-C hacia el subsistema relevante de tu dispositivo.

El conjunto de PFET más abajo tiene una función de interruptor similar. Sin embargo, este interruptor solo se cierra por el IC PD (SAFE_PWR_EN, pin 4) si la negociación falla, y el sistema vuelve al típico +5V (y corriente más baja) en la línea VBUS.

Se deben elegir transistores adecuados (por ejemplo, baja pérdida, capacidades de manejo de corriente suficientes, así como límites de voltaje adecuados de puerta-fuente y drenador-fuente), así como circuitos externos (resistencias, capacitores y diodos) de acuerdo con las recomendaciones de la hoja de datos. También puedes seguir el diseño de referencia previamente vinculado para elecciones específicas de partes.

Estableciendo los Requisitos de Voltaje y Corriente

El IC PD puede ser controlado ya sea a través de la interfaz I²C mencionada anteriormente (HPI_SDA y HPI_SCL, pines 12 y 13), o muy simplemente a través de resistencias de ajuste externas (ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN, y VBUS_MAX, pines 5, 6, 1, y 2).

Para la opción de resistencia de ajuste, el voltaje en los pines relevantes se muestrea en el inicio del IC y eso determina el rango de voltaje negociado, así como la corriente máxima requerida. Esto se muestra en la tabla a continuación:

Figura 7 Opciones de Resistencia de Ajuste

Varios

El circuito anterior es la cantidad mínima que necesitamos para que este IC PD funcione – como puedes ver, ¡no hay mucho en ello! Sin embargo, hay algunas características adicionales que pueden ser útiles, dependiendo de tu aplicación específica.

Por ejemplo, los pines I²C pueden conectarse a un controlador anfitrión para una configuración adicional, el pin FLIP (pin 10) se puede usar para indicar la orientación del cable USB Tipo-C conectado y para establecer si el dispositivo es capaz de datos o no, y el pin FAULT (pin 9) indica si la fuente no puede suministrar el voltaje o la corriente requeridos o si se detectó un evento de sobrevoltaje.

PCB

El diseño del PCB para este IC PD en particular es sencillo, a pesar de que el IC esté en un paquete estilo QFN. La imagen a continuación muestra el hardware incorporado en una placa simple de dos capas en Altium Designer, ya que no hay componentes de alta frecuencia en este diseño (siendo los ‘más rápidos’ los tiempos de subida/bajada de la interfaz I²C).

La capa superior se utiliza para el enrutamiento de energía y señales, mientras que la capa inferior está dedicada a un plano de tierra sólido, mayormente ininterrumpido. La opción de suministro de respaldo no se utiliza aquí.

Figura 8 PCB de IC PD USB-C (3D)

Lo que necesitamos asegurar es que nuestras interconexiones de potencia estén dimensionadas adecuadamente para reducir la caída de tensión DC IR y para mantener el aumento de temperatura en un nivel razonable. Sugiero mantener tus trazas (o polígonos incluso) que llevan potencia lo más cortas razonablemente posible y calcular los anchos de traza requeridos usando una calculadora IPC-2221. Por lo tanto, los componentes que manejan potencia, como los interruptores PFET, también se colocan cerca de los otros componentes de potencia relevantes.
Si hay grandes desequilibrios de cobre en los lados del mismo componente, es recomendable usar alivios térmicos para facilitar el proceso de ensamblaje.

Adicionalmente, los capacitores de desacoplamiento y bypass deben colocarse cerca de los pines relevantes del IC PD. Podemos colocar partes ‘menos críticas’, como las resistencias de strapping, más lejos del paquete IC QFN, ya que esto nos deja amplio espacio para el despliegue del dispositivo.

Figura 9 Enrutamiento de PCB PD USB Tipo-C

Conclusión

Este artículo describió los conceptos básicos de la implementación de entrega de potencia USB Tipo-C en tus propios diseños de hardware. Como vimos, el proceso – gracias a los ICs PD dedicados – es muy directo, sin necesidad de muchas partes adicionales.

Asegúrate de ver el video completo del recorrido de diseño aquí, que cubre algunos de los detalles más finos y sigue con una prueba gratuita de Altium Designer!