Ajoutez la livraison de puissance USB Type-C à vos conceptions !

Introduction

La livraison de puissance par USB Type-C (PD) devient de plus en plus répandue dans les conceptions matérielles, offrant aux appareils la capacité de fournir ou de recevoir jusqu'à 100W (et même jusqu'à 240W dans la spécification mise à jour 2.1 !) de puissance. Dans cet article, nous explorerons les fondamentaux de la livraison de puissance par USB Type-C et apprendrons comment intégrer facilement un CI PD dédié dans vos propres conceptions.

Figure 1 Carte de démonstration USB Type-C PD

Les connecteurs USB et leurs câbles respectifs, tels que USB Type-A et Type-B, ont été la norme pour les connexions de données et d'alimentation pour la majeure partie de l'histoire de l'USB. Cependant, ces interfaces ont des limitations en termes de livraison de puissance. En contraste, l'USB Type-C offre une solution plus polyvalente avec des broches capables de gérer des courants plus élevés et des broches de canal de communication pour la négociation de puissance.

Figure 2 Connecteur USB Type-C (Source : Farnell)

Figure 3 Disposition des broches du connecteur USB-C (Source : All About Circuits)

Les broches qui nous intéressent, en particulier pour la livraison de puissance, sont bien sûr les broches d'alimentation et de masse (VBUS, GND) mais aussi les broches de canal de communication (CC1, CC2). Ces broches CC peuvent être utilisées pour négocier la puissance entre les appareils (récepteurs et sources).

Nous n'entrerons pas dans le détail de la spécification PD USB Type-C ici, mais je vous recommande fortement de consulter deux introductions par Texas Instruments et USB-IF.

De plus, assurez-vous de regarder la vidéo complète de la marche à suivre pour une conception matérielle basée sur USB Type-C PD ici.

CI Contrôleur USB Type-C PD

Une méthode très simple d'utiliser la livraison de puissance USB Type-C, si vous n'avez besoin que de jusqu'à 15W de puissance, est en fait sans ‘négociation directe’. Cela est réalisé en tirant vers le bas les lignes CC1 et CC1 via des résistances séparées de 5.1kOhm sur votre appareil qui va absorber le courant. Gardez cependant à l'esprit que cette méthode ne permet pas de vérifier si la source peut supporter cette puissance.

Figure 4 Résistances de tirage vers le bas CC 5.1k

Une meilleure approche pour intégrer la livraison de puissance USB Type-C dans vos conceptions consiste à utiliser un circuit intégré (IC) contrôleur PD USB Type-C. Ces circuits intégrés sont conçus pour gérer le processus de négociation et de livraison de puissance. Divers fabricants produisent ces IC, offrant différents boîtiers et capacités pour répondre à vos besoins spécifiques. Assurez-vous d'utiliser Octopart pour découvrir les nombreuses options d'IC PD USB différentes !

Figure 5 Infineon USB-C PD IC (Source : Infineon)

Nous nous concentrerons sur l'Infineon CYPD3177, un contrôleur PD USB Type-C capable de supporter USB PD 3.0 Révision 2.0, offrant jusqu'à 100 watts de livraison de puissance (réception uniquement). Cet IC facilite grandement la négociation des différentes exigences de tension et de courant au sein du protocole PD USB et ne nécessite pas beaucoup de configuration et de circuit externe.

De plus, le CYPD3177 dispose d'un bloc I²C intégré, ce qui vous permet de contrôler le dispositif à l'aide d'un contrôleur hôte externe. Cela ouvre des opportunités pour personnaliser et affiner les paramètres PD USB au-delà des réglages de tension et de courant de base.

Schéma

Heureusement pour nous, Infineon fournit une très bonne fiche technique, ainsi qu'une référence de conception matérielle pour leur carte d'évaluation. Toutes les informations dont nous avons besoin pour créer le schéma sont contenues dans ces documents.

Un schéma de référence simplifié est montré ci-dessous :

Figure 6 Schéma de référence (Source : Infineon)

Alimentation et connecteur USB Type-C

Les connexions au connecteur USB Type-C sont VBUS, et GND, ainsi que les broches CC1/CC2. Assurez-vous d'ajouter une protection ESD (et un filtrage, si nécessaire) – selon les exigences de votre application.

L'IC est alimenté via la broche VBUS_IN (broche 18) et génère en interne ses propres tensions requises, y compris une alimentation +3.3V à faible courant que nous pouvons utiliser pour certains des circuits externes. C'est très pratique, car l'IC ne nécessite pas d'alimentation externe supplémentaire.
Comme d'habitude, nous avons besoin de quelques condensateurs de découplage aux broches VCCD (broche 24) et VDDD (broche 23) comme montré dans le schéma de référence.

Sortie de puissance et FETs

Vous aurez remarqué les deux ensembles de transistors PFET en haut du schéma. L'ensemble le plus haut est contrôlé par le CI PD (VBUS_FET_EN, broche 3) pour agir comme un interrupteur de charge. Une fois la négociation terminée via les lignes CC, l'interrupteur est fermé pour permettre au courant de circuler de la source attachée au connecteur USB Type-C vers le sous-système pertinent de votre appareil.

L'ensemble PFET situé en dessous a une fonction d'interrupteur similaire. Cependant, cet interrupteur n'est fermé par le CI PD (SAFE_PWR_EN, broche 4) que si la négociation échoue, et le système revient à la tension typique de +5V (et au courant inférieur) sur la ligne VBUS.

Des transistors adaptés (par exemple, à faible perte, avec des capacités de gestion de courant suffisantes, ainsi que des limites de tension adéquates entre la grille et la source et entre le drain et la source), ainsi que des circuits externes (résistances, condensateurs et diodes) doivent être choisis selon les recommandations de la fiche technique. Vous pouvez également suivre le design de référence précédemment lié pour des choix de pièces spécifiques.

Définition des exigences de tension et de courant

Le CI PD peut être contrôlé soit via l'interface I²C mentionnée précédemment (HPI_SDA et HPI_SCL, broches 12 et 13), soit très simplement via des résistances de strapping externes (ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN et VBUS_MAX, broches 5, 6, 1 et 2).

Pour l'option de résistance de strapping, la tension aux broches pertinentes est échantillonnée au démarrage du CI et cela détermine la plage de tension négociée, ainsi que le courant maximal requis. Ceci est montré dans le tableau ci-dessous :

Figure 7 Options de résistance de strapping

Divers

Le circuit précédent est le minimum dont nous avons besoin pour que ce CI PD fonctionne – comme vous pouvez le voir, il n'y a pas grand-chose ! Cependant, il existe quelques fonctionnalités supplémentaires qui peuvent être utiles, selon votre application spécifique.

Par exemple, les broches I²C peuvent être connectées à un contrôleur hôte pour une configuration supplémentaire, la broche FLIP (broche 10) peut être utilisée pour indiquer l'orientation du câble USB Type-C attaché et pour définir si l'appareil est capable de transmettre des données ou non, et la broche FAULT (broche 9) indique si la source ne peut pas fournir la tension ou le courant requis ou si un événement de surtension a été détecté.

PCB

La conception du PCB pour ce CI PD particulier est simple, malgré le fait que le CI soit dans un boîtier de style QFN. L'image ci-dessous montre le matériel incorporé sur une carte simple à deux couches dans Altium Designer, car il n'y a pas de composants à haute fréquence dans cette conception (le plus "rapide" étant les temps de montée/descente de l'interface I²C).

La couche supérieure est utilisée pour le routage de l'alimentation et des signaux, tandis que la couche inférieure est dédiée à un plan de masse solide, principalement ininterrompu. L'option d'alimentation de secours n'est pas utilisée ici.

Figure 8 PCB CI PD USB-C (3D)

Ce dont nous devons nous assurer, c'est que nos interconnexions de puissance soient suffisamment dimensionnées pour réduire la chute de tension en continu (DC IR drop) et pour maintenir les augmentations de température à un niveau raisonnable. Je suggérerais de garder vos pistes (ou polygones même) transportant du courant aussi courtes que raisonnablement possible et de calculer les largeurs de piste requises en utilisant un calculateur IPC-2221. Les composants de gestion de puissance, tels que les interrupteurs PFET, sont donc également placés près des autres composants de puissance pertinents.
Si il y a de grands déséquilibres de cuivre sur les côtés du même composant, visez à utiliser des soulagements thermiques pour faciliter le processus d'assemblage.

De plus, les condensateurs de découplage et de bypass doivent être placés près des broches pertinentes du CI PD. Nous pouvons placer des pièces ‘moins critiques’, telles que les résistances de strapping, plus loin du CI en boîtier QFN, car cela nous laisse amplement d'espace pour évaser le dispositif.

Figure 9 Routage PCB USB Type-C PD

Conclusion

Cet article a décrit les bases de la mise en œuvre de la livraison de puissance USB Type-C dans vos propres conceptions matérielles. Comme nous l'avons vu, le processus – grâce aux CI PD dédiés – est très simple, sans nécessiter de nombreuses pièces supplémentaires.

Assurez-vous de regarder la vidéo complète de la marche à suivre ici, qui couvre certains des détails les plus fins et suivez avec un essai gratuit d'Altium Designer!