Aggiungi la Power Delivery USB Type-C ai tuoi progetti!

Introduzione

La Power Delivery (PD) di USB Type-C sta diventando sempre più prevalente nei progetti hardware, offrendo la possibilità ai dispositivi di fornire o ricevere fino a 100W (e addirittura fino a 240W nella specifica aggiornata 2.1!) di potenza. In questo articolo, esploreremo i fondamenti della Power Delivery di USB Type-C e impareremo come incorporare facilmente un IC PD dedicato nei propri progetti.

Figura 1 Demo Board USB Type-C PD

I connettori USB e i rispettivi cavi, come USB Type-A e Type-B, sono stati lo standard per le connessioni dati e alimentazione per la maggior parte della storia dell'USB. Tuttavia, queste interfacce hanno limitazioni in termini di erogazione di potenza. Al contrario, USB Type-C offre una soluzione più versatile con pin in grado di gestire correnti più elevate e pin di canale di comunicazione per la negoziazione della potenza.

Figura 2 Connettore USB Type-C (Fonte: Farnell)

Figura 3 Schema Pin del Connettore USB-C (Fonte: All About Circuits)

I pin che ci interessano, in particolare per la consegna di potenza, sono ovviamente i pin di alimentazione e terra (VBUS, GND) ma anche i pin del canale di comunicazione (CC1, CC2). Questi pin CC possono essere utilizzati per negoziare la potenza tra dispositivi (sink e source).

Non entreremo nei dettagli riguardo la specifica PD di USB Type-C qui, ma vi consiglio vivamente di consultare due introduzioni di Texas Instruments e USB-IF.

Inoltre, assicuratevi di guardare il video completo sulla progettazione hardware basata su USB Type-C PD qui.

IC Controller PD USB Type-C

Un metodo molto semplice per utilizzare la consegna di USB Type-C, nel caso in cui si richiedano solo fino a 15W di potenza, è infatti senza una ‘negoziazione diretta’. Questo si ottiene tirando giù le linee CC1 e CC1 tramite resistori separati da 5.1kOhm sul dispositivo che assorbirà corrente. Tuttavia, tenete presente che questo metodo non consente di verificare se la fonte può supportare questa potenza.

Figura 4 Resistori di Pull-Down CC 5.1k

Un approccio migliore per incorporare l'alimentazione USB Type-C nei tuoi progetti è utilizzare un circuito integrato (IC) controller USB Type-C PD. Questi circuiti integrati sono progettati per gestire il processo di negoziazione e fornitura di energia. Diversi produttori producono questi IC, offrendo diversi pacchetti e capacità per soddisfare le tue esigenze specifiche. Assicurati di usare Octopart per esplorare le molteplici opzioni di IC USB PD disponibili!

Figura 5 Infineon USB-C PD IC (Fonte: Infineon)

Ci concentreremo su Infineon CYPD3177, un controller USB Type-C PD capace di supportare USB PD 3.0 Revisione 2.0, offrendo fino a 100 watt di alimentazione (solo ricezione). Questo IC rende molto semplice negoziare diverse tensioni e correnti richieste dal protocollo USB PD e non richiede molta configurazione e circuiti esterni.

Inoltre, il CYPD3177 dispone di un blocco I²C integrato, che ti permette di controllare il dispositivo utilizzando un controller host esterno. Questo apre opportunità per personalizzare e affinare le impostazioni USB PD oltre alle impostazioni di tensione e corrente di base.

Schema

Fortunatamente per noi, Infineon fornisce un ottimo datasheet, così come un riferimento di progettazione hardware per la loro scheda di valutazione. Tutte le informazioni di cui abbiamo bisogno per creare lo schema sono contenute in questi documenti.

Di seguito è mostrato uno schema di riferimento semplificato:

Figura 6 Schema di Riferimento (Fonte: Infineon)

Alimentazione In e Connettore USB Type-C

Le connessioni al connettore USB Type-C sono VBUS e GND, così come i pin CC1/CC2. Assicurati di aggiungere protezione ESD (e filtraggio, se necessario) – a seconda delle esigenze della tua applicazione.

L'IC è alimentato tramite il pin VBUS_IN (pin 18) e genera internamente le proprie tensioni richieste, inclusa una fornitura a bassa corrente di +3.3V che possiamo utilizzare per alcuni dei circuiti esterni. Questo è molto pratico, poiché l'IC non necessita di un'alimentazione esterna aggiuntiva.
Come al solito, richiediamo alcuni condensatori di disaccoppiamento ai pin VCCD (pin 24) e VDDD (pin 23) come mostrato nello schema di riferimento.

Alimentazione Out e FET

Avrete notato i due set di transistor PFET nella parte superiore dello schema. Il set più in alto è controllato dal PD IC (VBUS_FET_EN, pin 3) per agire come un interruttore di carico. Una volta completata la negoziazione tramite le linee CC, l'interruttore si chiude per permettere il flusso di energia dalla fonte collegata al connettore USB Type-C fino al sottosistema pertinente del vostro dispositivo.

Il set di PFET sottostante ha una funzione di interruttore simile. Tuttavia, questo interruttore si chiude solo tramite il PD IC (SAFE_PWR_EN, pin 4) se la negoziazione fallisce, e il sistema ritorna alla tipica +5V (e corrente inferiore) sulla linea VBUS.

È necessario scegliere transistor adatti (ad esempio, a bassa perdita, capacità di gestione della corrente sufficiente, così come limiti di tensione adeguati tra gate-source e drain-source), così come circuiti esterni (resistori, condensatori e diodi) secondo le raccomandazioni del datasheet. È possibile anche seguire il design di riferimento precedentemente collegato per scelte specifiche di componenti.

Impostazione dei Requisiti di Tensione e Corrente

Il PD IC può essere controllato tramite l'interfaccia I²C menzionata in precedenza (HPI_SDA e HPI_SCL, pin 12 e 13), o molto semplicemente tramite resistori di strapping esterni (ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN e VBUS_MAX, pin 5, 6, 1 e 2).

Per l'opzione dei resistori di strapping, la tensione ai pin pertinenti viene campionata all'avvio dell'IC e ciò determina l'intervallo di tensione negoziata, così come la corrente massima richiesta. Questo è mostrato nella tabella sottostante:

Figura 7 Opzioni dei Resistori di Strapping

Varie

Il circuito precedente è il minimo necessario affinché questo PD IC funzioni – come potete vedere, non c'è molto! Tuttavia, ci sono alcune funzionalità aggiuntive che possono essere utili, a seconda della vostra applicazione specifica.

Ad esempio, i pin I²C possono essere collegati a un controller host per ulteriori configurazioni, il pin FLIP (pin 10) può essere utilizzato per indicare l'orientamento del cavo USB Type-C collegato e per impostare se il dispositivo è capace di trasferire dati o meno, e il pin FAULT (pin 9) indica se la fonte non può fornire la tensione o la corrente richieste o se è stato rilevato un evento di sovratensione.

PCB

Il design del PCB per questo particolare PD IC è semplice, nonostante l'IC sia in un pacchetto di tipo QFN. L'immagine sottostante mostra l'hardware incorporato su una semplice scheda a due strati in Altium Designer, poiché non ci sono componenti ad alta frequenza in questo design (il più "veloce" essendo i tempi di salita/discesa dell'interfaccia I²C).

Il layer superiore è utilizzato per il routing di potenza e segnale, mentre il layer inferiore è dedicato a un piano di massa solido, per lo più ininterrotto. L'opzione di alimentazione di riserva qui non è utilizzata.

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

Quello di cui dobbiamo occuparci è che i nostri collegamenti di potenza siano dimensionati adeguatamente per ridurre la caduta di tensione DC IR e per mantenere l'aumento della temperatura a un livello ragionevole. Suggerirei di mantenere le tracce (o anche i poligoni) che trasportano potenza il più corte ragionevolmente possibile e di calcolare le larghezze delle tracce richieste usando un calcolatore IPC-2221. Di conseguenza, anche i componenti che gestiscono la potenza, come gli interruttori PFET, sono posizionati vicino agli altri componenti di potenza pertinenti.
Se ci sono grandi squilibri di rame sui lati dello stesso componente, mira ad utilizzare alleggerimenti termici per rendere il processo di assemblaggio più semplice.

Inoltre, i condensatori di decoupling e bypass dovrebbero essere posizionati vicino ai pin pertinenti del PD IC. Possiamo posizionare parti 'meno critiche', come le resistenze di strapping, più lontano dal pacchetto IC QFN, poiché ciò ci lascia ampio spazio per espandere il dispositivo.

Figura 9 Routing PCB USB Type-C PD

Conclusione

Questo articolo ha delineato le basi dell'implementazione della consegna di potenza USB Type-C nei propri progetti hardware. Come abbiamo visto, il processo - grazie ai PD IC dedicati - è molto semplice, senza bisogno di molte parti aggiuntive.

Assicurati di guardare il video completo del walkthrough del design qui, che copre alcuni dei dettagli più fini e segui con una prova gratuita di Altium Designer!