USB-PD : Composants et conception de système

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi votre téléphone met des heures à se charger avec un ancien chargeur mural, mais se charge très rapidement lorsqu'il est connecté à un chargeur mural plus récent ? Si vous êtes concepteur électronique, vous connaissez le problème : l'ancien chargeur mural ne fournit pas assez de puissance pour charger votre batterie dans un délai raisonnable parce que son courant de sortie est trop faible. Les téléphones plus récents sont des bêtes gourmandes en énergie et nécessitent plus de courant pour se charger rapidement à pleine capacité.

L'USB existe depuis 1996, mais le nouvel USB-PD via les connecteurs de type C permet un transfert de puissance plus élevé vers un appareil mobile, permettant ainsi une charge plus rapide. L'USB-PD permet même un échange de puissance bidirectionnel, donc votre téléphone pourrait (en théorie) alimenter votre ordinateur portable. Voici certains des composants dont vous aurez besoin pour un système USB-PD et comment concevoir votre prochain produit pour supporter l'USB-PD.

Le standard USB-PD

Le principe central de l'USB-PD est simple : transférer plus de courant à une tension plus élevée dans un appareil connecté, permettant ainsi de charger la batterie plus rapidement. Le standard USB-PD (sous la révision actuelle 3.0) permet de délivrer jusqu'à 100 W entre les appareils à jusqu'à 20 V/5 A via les connecteurs USB de type C. Cela est toutefois à condition que l'appareil récepteur puisse supporter autant de tension/courant. Ces chiffres dans les directives étaient destinés à la charge des ordinateurs portables, des tablettes et d'autres appareils qui nécessitaient auparavant un connecteur cylindrique pour recevoir suffisamment de puissance. Juste pour donner une perspective, mon ordinateur portable d'un an nécessite une alimentation DC de 19,5 V/3,3 A pour la charge, ce qui est dans le champ d'application du protocole USB-PD.

L'USB-PD transfère l'énergie via un câble USB de type C et est destiné à être agnostique en termes de fournisseur. En d'autres termes, le standard USB-PD était destiné à fournir aux concepteurs de produits un moyen de développer une solution de charge universelle adaptable à une variété de produits. Être agnostique en termes de fournisseur n'a pas empêché Qualcomm et Samsung de développer certaines techniques de charge propriétaires (Quick Charge et Adaptive Fast Charging, respectivement) pour leurs téléphones mobiles. Cependant, l'USB-PD peut toujours être utilisé avec ces appareils mobiles et d'autres, ou votre nouvel appareil mobile/IoT.

Le tableau ci-dessous montre les niveaux de tension standardisés utilisés pour l'alimentation à différents niveaux de puissance. Les composants que vous choisissez doivent satisfaire ces tensions de sortie spécifiques et plages de courant afin d'être conformes à la norme USB-PD.

Notez que le standard USB-PD est seulement une suggestion, pas une exigence. Par exemple, le récent iPhone d'Apple se charge à 14,5 V/2 A (29 W), le rendant compatible avec la section 15 V du tableau ci-dessus.

Composants pour USB-PD

Parce que différents produits nécessitent différentes tensions et courants, un hôte de charge doit négocier avec les appareils connectés et déterminer la bonne tension/courant à fournir. Les composants doivent fournir les fonctions suivantes :

• Attachement de câble, orientation du câble et détection du rôle du câble
• Compatibilité avec les appareils hérités à 5 V
• Fournir un transfert de données via les broches standard +D et -D si souhaité
• Basculer entre des niveaux de tension spécifiques
• Fonctionnalité définie (double rôle, source ou récepteur)

Certains systèmes nécessiteront plusieurs commutateurs de puissance USB-PD et/ou un multiplexeur pour fournir une sortie de puissance à plusieurs dispositifs en aval. D'autres composants du système d'alimentation seront nécessaires, tels que pour la régulation de puissance d'entrée/sortie régulation de puissance et la suppression de surintensité. Le dernier point est important car il permet la nature bidirectionnelle de l'USB-PD (mode double rôle) ; c'est là qu'un contrôleur USB-PD dédié est utilisé pour négocier le transfert de puissance entre les dispositifs. Voici quelques exemples de composants essentiels pour tout système de charge USB-PD.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

Le FUSB302BMPX de ON Semiconductor est un commutateur de puissance qui délivre jusqu'à 100 W complets sous la spécification USB-PD. Ce composant a été lancé sous la Rev. 2.0, mais il est toujours compatible avec les nouveaux appareils Rev 3.0 et est toujours en production active. Ce composant est utilisé dans l'USB-PD pour les ordinateurs portables, téléphones, unités de charge portatives alimentées par batterie et caméras.

Schéma de bloc du contrôleur de puissance USB-PD, tiré de la fiche technique FUSB302BMPX.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

Le PTN5100DBSMP de NXP Semiconductors est une interface PHY compatible USB-PD pour un seul port USB de type C. Ce CI inclut un LDO pour supporter une condition de batterie déchargée dans un dispositif en aval. Ce CI peut également être configuré comme la couche PHY d'entrée pour un dispositif récepteur, ou il peut être mis en double rôle. La configuration est effectuée via une interface SPI, et les mises à jour de statut sont fournies via I2C. Ce CI fournit également des signaux de contrôle de grille pour les MOSFETs de puissance PMOS sur le bus d'alimentation pour la livraison de puissance en aval.

Schéma de bloc fonctionnel tiré de la fiche technique PTN5100DBSMP. (Texte alternatif : Schéma de bloc USB-PD tiré de la fiche technique TPS65982) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

Le TPS65982 de Texas Instruments est un commutateur, contrôleur et multiplexeur USB-PD, le tout en une seule unité. D'autres composants séparent les fonctions importantes en différents CI, donnant à ce composant un grand avantage dans les produits avec USB-PD. Ce dispositif comprend une couche PHY USB, une sortie LDO de 3,3 V pour le support de batterie morte, et un commutateur de 5 V/ 3 A vers VBUS pour l'alimentation Type-C. Il peut délivrer jusqu'à 20 V/3 A, le rendant compatible avec les appareils mobiles modernes. Texas Instruments est sans doute le leader actuel dans ces composants, le seul inconvénient étant la sortie de puissance limitée à 60 W.

Schéma de bloc fonctionnel du datasheet TPS65982.

Votre prochain système mobile, IoT, ou autre système d'alimentation peut se charger beaucoup plus rapidement lorsque vous concevez votre système d'alimentation selon la norme USB-PD. Les composants mentionnés ci-dessus peuvent vous aider à démarrer avec votre prochain système d'alimentation, et vous pouvez trouver les composants dont vous avez besoin en utilisant un moteur de recherche de pièces électroniques comme Octopart. Le filtrage avancé vous aide à affiner votre recherche pour trouver les bons composants pour votre prochain système.

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