USB-PD: Componentes e Design do Sistema

Já se perguntou por que seu telefone demora horas para carregar com um carregador de parede antigo, mas carrega muito rapidamente quando conectado a um carregador de parede mais novo? Se você é um projetista de eletrônicos, conhece o problema: o carregador de parede antigo não está fornecendo energia suficiente para carregar sua bateria em um tempo razoável porque sua corrente de saída é muito baixa. Os telefones mais novos são verdadeiras feras ávidas por energia e precisam de mais corrente para carregar até a capacidade total rapidamente.

O USB existe desde 1996, mas o novo USB-PD através de conectores Tipo C permite uma transferência de energia maior para um dispositivo móvel, permitindo um carregamento mais rápido. O USB-PD até permite a troca de energia bidirecional, então seu telefone poderia (em teoria) alimentar seu laptop. Aqui estão alguns dos componentes que você precisará para um sistema USB-PD e como projetar seu próximo produto para suportar USB-PD.

O Padrão USB-PD

A premissa central do USB-PD é simples: transferir mais corrente a uma tensão mais alta para um dispositivo conectado, carregando assim a bateria mais rapidamente. O padrão USB-PD (sob a atual Rev. 3.0) permite que até 100 W sejam entregues entre dispositivos a até 20 V/5 A através de conectores USB Tipo C. Isso, no entanto, desde que o dispositivo receptor possa suportar essa quantidade de tensão/corrente. Esses números nas diretrizes foram destinados para carregar laptops, tablets e outros dispositivos que costumavam requerer um conector de barril para receber energia suficiente. Apenas para perspectiva, meu laptop de 1 ano requer uma fonte de alimentação DC de 19,5 V/3,3 A para carregar, o que está dentro do escopo do protocolo USB-PD.

O USB-PD transfere energia através de um cabo USB Tipo-C e pretende ser agnóstico em relação ao fornecedor. Em outras palavras, o padrão USB-PD foi criado para fornecer uma maneira para os projetistas de produtos desenvolverem uma solução de carregamento universal que seja adaptável a uma variedade de produtos. Ser agnóstico em relação ao fornecedor não impediu a Qualcomm e a Samsung de desenvolverem algumas técnicas proprietárias de carregamento (Quick Charge e Adaptive Fast Charging, respectivamente) para seus telefones móveis. No entanto, o USB-PD ainda pode ser usado com esses e outros dispositivos móveis, ou seu novo dispositivo móvel/IoT.

A tabela abaixo mostra os níveis de tensão padronizados usados para fornecimento em diferentes níveis de potência. Os componentes que você escolher devem satisfazer essas tensões de saída específicas e faixas de corrente para estarem em conformidade com o padrão USB-PD.

Note que o padrão USB-PD é apenas uma sugestão, não uma exigência. Por exemplo, o recente iPhone da Apple carrega a 14,5 V/2 A (29 W), tornando-o compatível com a seção de 15 V da tabela acima.

Componentes para USB-PD

Como diferentes produtos requerem diferentes tensões e correntes, um host de carregamento precisa negociar com os dispositivos conectados e determinar a tensão/corrente correta a fornecer. Os componentes precisam fornecer as seguintes funções:

• Anexação de cabo, orientação de cabo e detecção de função do cabo
• Compatibilidade com dispositivos legados a 5 V
• Permitir transferência de dados através dos pinos padrão +D e -D, se desejado
• Alternar entre níveis de tensão específicos
• Funcionalidade definida (duplo papel, fonte ou receptor)

Alguns sistemas precisarão de múltiplos interruptores de energia USB-PD e/ou um multiplexador para fornecer saída de energia para múltiplos dispositivos a jusante. Outros componentes do sistema de energia serão necessários, como para regulação de energia de entrada/saída regulação de energia e supressão de sobrecorrente. O último ponto é importante pois permite a natureza bidirecional do USB-PD (modo de duplo papel); é aqui que um controlador USB-PD dedicado é usado para negociar a transferência de energia entre dispositivos. Aqui estão alguns exemplos de componentes essenciais para qualquer sistema de carregamento USB-PD.

ON Semiconductor, FUSB302BMPX

O FUSB302BMPX da ON Semiconductor é um interruptor de energia que fornece até os 100 W completos sob a especificação USB-PD. Este componente foi lançado sob a Rev. 2.0, mas ainda é compatível com dispositivos mais novos da Rev 3.0 e ainda está em produção ativa. Este componente é utilizado em aplicações USB-PD para laptops, telefones, unidades de carregamento portáteis alimentadas por bateria e câmeras.

Diagrama de blocos do controlador de energia USB-PD, do datasheet do FUSB302BMPX.

NXP Semiconductors, PTN5100DBSMP

O PTN5100DBSMP da NXP Semiconductors é uma interface PHY compatível com USB-PD para uma única porta USB Tipo-C. Este CI inclui um LDO para suportar uma condição de bateria descarregada em um dispositivo a jusante. Este CI também pode ser configurado como a camada PHY de entrada para um dispositivo receptor, ou pode ser colocado em duplo papel. A configuração é realizada através de uma interface SPI, e atualizações de status são fornecidas através de I2C. Este CI também fornece sinais de controle de gate para MOSFETs de potência PMOS no barramento de energia para entrega de energia a jusante.

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

Texas Instruments, TPS65982

O TPS65982 da Texas Instruments é um interruptor de energia USB-PD, controlador e multiplexador, tudo em uma única unidade. Outros componentes separam funções importantes em diferentes ICs, dando a este componente uma grande vantagem em produtos com USB-PD. Este dispositivo inclui uma camada PHY USB, saída LDO de 3,3 V para suporte a bateria descarregada e chave de 5 V/ 3 A para VBUS para energia Tipo-C. Ele pode fornecer até 20 V/3 A, tornando-o compatível com dispositivos móveis modernos. A Texas Instruments é, sem dúvida, a líder atual nesses componentes, com a única desvantagem sendo a limitada saída de energia de 60 W.

Diagrama de blocos funcional do datasheet do TPS65982.

Seu próximo sistema móvel, IoT ou outro sistema de energia pode carregar muito mais rápido quando você projeta seu sistema de energia para o padrão USB-PD. Os componentes acima podem ajudá-lo a começar com seu próximo sistema de energia, e você pode encontrar os componentes de que precisa quando usa um motor de busca de peças eletrônicas como o Octopart. Os filtros avançados ajudam você a restringir a busca pelos componentes certos para o seu próximo sistema.

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