USB-PD: Componenti e Progettazione del Sistema

Ti sei mai chiesto perché il tuo telefono impiega ore a caricarsi con un vecchio caricabatterie da muro, ma si carica molto velocemente quando connesso a un caricabatterie da muro più recente? Se sei un progettista di elettronica, conosci il problema: il vecchio caricabatterie non fornisce abbastanza potenza per caricare la tua batteria in un tempo ragionevole perché la sua corrente di uscita è troppo bassa. I telefoni più recenti sono bestie assetate di energia e necessitano di più corrente per caricarsi completamente in fretta.

L'USB esiste dal 1996, ma il più recente USB-PD tramite connettori di Tipo C permette un trasferimento di potenza superiore a un dispositivo mobile, consentendo una ricarica più veloce. L'USB-PD permette anche lo scambio di potenza bidirezionale, quindi il tuo telefono potrebbe (in teoria) alimentare il tuo laptop. Ecco alcuni dei componenti di cui avrai bisogno per un sistema USB-PD e come progettare il tuo prossimo prodotto per supportare l'USB-PD.

Lo Standard USB-PD

Il principio centrale dell'USB-PD è semplice: trasferire più corrente a tensione più alta in un dispositivo connesso, caricando così più velocemente la batteria. Lo standard USB-PD (nella corrente Rev. 3.0) permette fino a 100 W di essere consegnati tra dispositivi fino a 20 V/5 A tramite connettori USB Tipo C. Ciò, tuttavia, a condizione che il dispositivo ricevente possa sopportare quella quantità di tensione/corrente. Questi numeri nelle linee guida erano intesi per la ricarica di laptop, tablet e altri dispositivi che in precedenza richiedevano un connettore a barilotto per ricevere sufficiente potenza. Solo per dare una prospettiva, il mio laptop di un anno richiede un alimentatore DC 19.5 V/3.3 A per la ricarica, che rientra nell'ambito del protocollo USB-PD.

L'USB-PD trasferisce potenza tramite un cavo USB Tipo-C ed è inteso per essere agnostico rispetto al fornitore. In altre parole, lo standard USB-PD era inteso per fornire ai progettisti di prodotti un modo per sviluppare una soluzione di ricarica universale che sia adattabile a una varietà di prodotti. Essere agnostico rispetto al fornitore non ha impedito a Qualcomm e Samsung di sviluppare alcune tecniche di ricarica proprietarie (Quick Charge e Adaptive Fast Charging, rispettivamente) per i loro telefoni cellulari. Tuttavia, l'USB-PD può ancora essere utilizzato con questi e altri dispositivi mobili, o con il tuo nuovo dispositivo mobile/IoT.

La tabella sottostante mostra i livelli di tensione standardizzati utilizzati per l'alimentazione a diversi livelli di potenza. I componenti che scegli dovrebbero soddisfare queste specifiche tensioni di uscita e intervalli di corrente per essere conformi allo standard USB-PD.

Da notare che lo standard USB-PD è solo un suggerimento, non un requisito. Ad esempio, il recente iPhone di Apple si carica a 14.5 V/2 A (29 W), rendendolo compatibile con la sezione da 15 V della tabella sopra.

Componenti per l'USB-PD

Poiché diversi prodotti richiedono diverse tensioni e correnti, un host di ricarica deve negoziare con i dispositivi connessi e determinare la giusta tensione/corrente da fornire. I componenti devono fornire le seguenti funzioni:

• Attacco del cavo, orientamento del cavo e rilevamento del ruolo del cavo
• Compatibilità con dispositivi legacy a 5 V
• Fornire il trasferimento dati tramite i pin standard +D e -D se desiderato
• Passaggio tra livelli di tensione specifici
• Funzionalità definita (doppio ruolo, sorgente o destinatario)

Alcuni sistemi necessiteranno di multipli interruttori di alimentazione USB-PD e/o di un multiplexer per fornire l'uscita di potenza a più dispositivi a valle. Saranno necessari altri componenti del sistema di alimentazione, come per la regolazione dell'alimentazione in ingresso/uscita power regulation e la soppressione di sovracorrente. L'ultimo punto è importante in quanto consente la natura bidirezionale dell'USB-PD (modalità doppio ruolo); qui è dove viene utilizzato un controller USB-PD dedicato per negoziare il trasferimento di potenza tra i dispositivi. Ecco alcuni esempi di componenti essenziali per qualsiasi sistema di ricarica USB-PD.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

Il FUSB302BMPX di ON Semiconductor è un interruttore di potenza che eroga fino al pieno 100 W secondo le specifiche USB-PD. Questo componente è stato rilasciato sotto la Rev. 2.0, ma è ancora compatibile con i dispositivi Rev 3.0 più recenti ed è ancora in produzione attiva. Questo componente trova applicazioni nell'USB-PD per laptop, telefoni, unità di ricarica portatili alimentate a batteria e fotocamere.

Diagramma a blocchi del controller di potenza USB-PD, dal datasheet FUSB302BMPX.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

Il PTN5100DBSMP di NXP Semiconductors è un'interfaccia PHY compatibile USB-PD per una singola porta USB di tipo C. Questo IC include un LDO per supportare una condizione di batteria scarica in un dispositivo a valle. Questo IC può anche essere configurato come strato PHY di ingresso per un dispositivo ricevente, o può essere impostato in doppio ruolo. La configurazione viene eseguita tramite un'interfaccia SPI, e gli aggiornamenti di stato sono forniti tramite I2C. Questo IC fornisce anche segnali di controllo del gate per i MOSFET di potenza PMOS sul bus di alimentazione per la consegna di potenza a valle.

Diagramma a blocchi funzionale dal datasheet PTN5100DBSMP. (Alt text: Diagramma a blocchi USB-PD dal datasheet TPS65982) https://drive.google.com/open?id=1mNBypQutN1Y7_tr6eVTaTVmfc0ygDNw3

Texas Instruments, TPS65982

Il TPS65982 di Texas Instruments è un interruttore di alimentazione USB-PD, un controller e un multiplexer tutto in un'unica unità. Altri componenti separano funzioni importanti in diversi IC, conferendo a questo componente un grande vantaggio nei prodotti con USB-PD. Questo dispositivo include un livello PHY USB, un'uscita LDO da 3,3 V per il supporto a batteria scarica e uno switch da 5 V/3 A a VBUS per l'alimentazione Type-C. Può erogare fino a 20 V/3 A, rendendolo compatibile con i moderni dispositivi mobili. Texas Instruments è attualmente considerato il leader in questi componenti, con l'unico svantaggio rappresentato dalla limitata potenza di uscita di 60 W.

Diagramma a blocchi funzionale dal datasheet del TPS65982.

Il tuo prossimo sistema mobile, IoT o di alimentazione può caricarsi molto più velocemente quando progetti il tuo sistema di alimentazione secondo lo standard USB-PD. I componenti sopra menzionati possono aiutarti a iniziare con il tuo prossimo sistema di alimentazione, e puoi trovare i componenti di cui hai bisogno utilizzando un motore di ricerca di parti elettroniche come Octopart. I filtri avanzati ti aiutano a restringere la ricerca ai componenti giusti per il tuo prossimo sistema.

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