USB-PD: Componentes y Diseño del Sistema

¿Alguna vez te has preguntado por qué tu teléfono tarda horas en cargarse con un cargador de pared antiguo, pero se carga muy rápidamente cuando se conecta a un cargador de pared más nuevo? Si eres un diseñador de electrónica, conoces el problema: el cargador de pared antiguo no está entregando suficiente energía para cargar tu batería en un tiempo razonable porque su corriente de salida es demasiado baja. Los teléfonos nuevos son bestias hambrientas de energía y necesitan más corriente para cargarse rápidamente a su capacidad máxima.

USB existe desde 1996, pero el nuevo USB-PD sobre conectores Tipo C permite una transferencia de energía más alta a un dispositivo móvil, permitiendo una carga más rápida. USB-PD incluso permite el intercambio de energía bidireccional, por lo que tu teléfono podría (en teoría) alimentar tu laptop. Aquí están algunos de los componentes que necesitarás para un sistema USB-PD y cómo diseñar tu próximo producto para soportar USB-PD.

El Estándar USB-PD

La premisa central de USB-PD es simple: transferir más corriente a mayor voltaje a un dispositivo conectado, cargando así la batería más rápido. El estándar USB-PD (bajo la actual Rev. 3.0) permite hasta 100 W de entrega entre dispositivos a hasta 20 V/5 A a través de conectores USB Tipo C. Eso, sin embargo, siempre que el dispositivo receptor pueda soportar tanto voltaje/corriente. Esos números en las directrices estaban destinados para cargar laptops, tabletas y otros dispositivos que solían requerir un conector de barril para recibir suficiente energía. Solo para dar una perspectiva, mi laptop de 1 año de antigüedad requiere una fuente de alimentación de 19.5 V/3.3 A DC para cargar, lo cual está dentro del ámbito del protocolo USB-PD.

USB-PD transfiere energía a través de un cable USB Tipo-C y está destinado a ser agnóstico de proveedor. En otras palabras, el estándar USB-PD fue diseñado para proporcionar una forma para que los diseñadores de productos desarrollen una solución de carga universal que sea adaptable a una variedad de productos. Ser agnóstico de proveedor no ha impedido que Qualcomm y Samsung desarrollen algunas técnicas de carga propietarias (Quick Charge y Adaptive Fast Charging, respectivamente) para sus teléfonos móviles. Sin embargo, USB-PD todavía puede ser utilizado con estos y otros dispositivos móviles, o tu nuevo dispositivo móvil/IoT.

La tabla a continuación muestra los niveles de voltaje estandarizados utilizados para suministrar en diferentes niveles de potencia. Los componentes que elijas deben satisfacer estos voltajes de salida específicos y rangos de corriente para estar en conformidad con el estándar USB-PD.

Nota que el estándar USB-PD es solo una sugerencia, no un requisito. Por ejemplo, el reciente iPhone de Apple se carga a 14.5 V/2 A (29 W), haciéndolo compatible con la sección de 15 V de la tabla anterior.

Componentes para USB-PD

Debido a que diferentes productos requieren diferentes voltajes y corrientes, un anfitrión de carga necesita negociar con los dispositivos conectados y determinar el voltaje/corriente adecuado para suministrar. Los componentes necesitan proporcionar las siguientes funciones:

• Detección de la orientación, la conexión y el rol del cable
• Compatibilidad con dispositivos heredados a 5 V
• Proporcionar transferencia de datos a través de los pines estándar +D y -D si se desea
• Cambiar entre niveles de voltaje específicos
• Funcionalidad definida (doble rol, fuente o sumidero)

Algunos sistemas necesitarán múltiples interruptores de potencia USB-PD y/o un multiplexor para proporcionar salida de potencia a múltiples dispositivos aguas abajo. Otros componentes del sistema de potencia serán necesarios, como para la regulación de potencia de entrada/salida y supresión de sobrecorriente. El último punto es importante ya que permite la naturaleza bidireccional de USB-PD (modo de doble rol); aquí es donde se utiliza un controlador USB-PD dedicado para negociar la transferencia de potencia entre dispositivos. Aquí hay algunos ejemplos de componentes esenciales para cualquier sistema de carga USB-PD.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

El FUSB302BMPX de ON Semiconductor es un interruptor de potencia que entrega hasta los 100 W completos bajo la especificación USB-PD. Este componente fue lanzado bajo la Rev. 2.0, pero sigue siendo compatible con dispositivos más nuevos Rev 3.0 y todavía está en producción activa. Este componente se utiliza en aplicaciones USB-PD para laptops, teléfonos, unidades de carga portátiles alimentadas por batería y cámaras.

Diagrama de bloques del controlador de potencia USB-PD, del datasheet de FUSB302BMPX.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

El PTN5100DBSMP de NXP Semiconductors es una interfaz PHY compatible con USB-PD para un único puerto USB Tipo-C. Este CI incluye un LDO para soportar una condición de batería agotada en un dispositivo aguas abajo. Este CI también puede configurarse como la capa PHY de entrada para un dispositivo receptor, o puede ponerse en doble rol. La configuración se realiza a través de una interfaz SPI, y las actualizaciones de estado se proporcionan a través de I2C. Este CI también proporciona señales de control de puerta para MOSFETs de potencia PMOS en el bus de potencia para la entrega de potencia aguas abajo.

Diagrama de bloques funcional del datasheet de PTN5100DBSMP. (Alt text: Diagrama de bloques USB-PD del datasheet de TPS65982) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

El TPS65982 de Texas Instruments es un interruptor de alimentación USB-PD, controlador y multiplexor todo en una sola unidad. Otros componentes separan funciones importantes en diferentes CI, lo que le da a este componente una gran ventaja en productos con USB-PD. Este dispositivo incluye una capa PHY USB, salida LDO de 3.3 V para soporte de batería descargada y un interruptor de 5 V/ 3 A a VBUS para alimentación Tipo-C. Puede entregar hasta 20 V/3 A, haciéndolo compatible con dispositivos móviles modernos. Texas Instruments es posiblemente el líder actual en estos componentes, siendo el único inconveniente la limitada salida de energía de 60 W.

Diagrama de bloques funcional del datasheet del TPS65982.

Tu próximo móvil, IoT u otro sistema de alimentación puede cargarse mucho más rápido cuando diseñas tu sistema de alimentación al estándar USB-PD. Los componentes mencionados pueden ayudarte a comenzar con tu próximo sistema de alimentación, y puedes encontrar los componentes que necesitas cuando usas un motor de búsqueda de partes electrónicas como Octopart. El filtrado avanzado te ayuda a reducir la búsqueda a los componentes adecuados para tu próximo sistema.

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