Introduzione alla specifica USB-C Power Delivery

Di Bill Giovino

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

La specifica USB Type-C™ introduce nuove opzioni per l'erogazione di potenza scalabile su USB, ma è complessa e pone agli sviluppatori problemi di sicurezza e di layout.

Questo articolo illustra le soluzioni per prese USB Type-C (detto anche USB-C) e spiega agli sviluppatori come integrare e disporre i loro connettori in un nuovo progetto per alimentare in modo sicuro dispositivi esterni tramite USB.

Introduzione a USB-C

Lo standard USB 1.1 originale specificava una corrente massima di 500 mA a 5 V (2,5 W), mantenuta anche nella specifica per USB 2.0. Con USB 3.1 questa soglia è stata portata a 900 mA. In tutti i casi, viene usato il comune connettore rettangolare USB. Tuttavia, la diffusione dell'interfaccia USB ne ha aumentato le applicazioni e le aspettative in termini di compatibilità del connettore e capacità di erogazione di potenza.

Da qui è nato lo sviluppo dello standard USB Type-C™. USB-C non è una specifica per il traffico di dati, ma un nuovo standard per un connettore USB miniaturizzato. Tutta la storia dei connettori USB è costellata di problemi di compatibilità. L'inserimento del normale connettore rettangolare USB Type-A non è mai sfuggito alla Legge di Murphy: non importa come viene inserito, risulterà sempre messo al contrario (Figura 1). E anche se è stato inserito con l'orientamento corretto, a volte non si innesta adeguatamente, per cui si penserà bene di estrarlo e provare a invertirlo, più e più volte.

Immagine di molti tipi di connettori USB

Figura 1: I numerosi tipi di connettori USB sono stati l'incubo di sviluppatori e utenti fin da USB 1.1. Il tipo più comune per i normali computer è il connettore USB Type-A, usato per USB 1.1, 2.0, 3.0 e 3.1. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Considerate le grandi dimensioni del connettore polarizzato Type-A, per facilitarne l'integrazione nei piccoli dispositivi consumer sono stati sviluppati i tipi micro e mini polarizzati. Ma anche con questi gli sviluppatori e gli utenti avevano gli stessi problemi di orientamento del Type-A.

Il nuovo connettore USB-C (in basso a destra nella Figura 1) è appena più grande del connettore USB micro-B degli smartphone Android e dei dispositivi IoT. Sostituisce sia il connettore del computer (host) sia quello del dispositivo, per cui ora i tipi di cavi si sono ridotti a uno. Inoltre, non essendo polarizzato e non avendo un orientamento prestabilito, è possibile ottenere un collegamento sicuro a prescindere da come il connettore USB-C viene inserito.

Piedinatura e livelli di potenza del connettore USB-C

Il connettore USB-C supporta sia USB 2.0 che USB 3.1. Quando è usato per USB 3.1, lo standard richiede anche la retrocompatibilità con USB 2.0 e questo è l'uso consigliato per i nuovi progetti. Nel caso di progetti a bassa velocità dei dati, tuttavia, il connettore può essere usato solo per USB 2.0.

Schema del connettore femmina USB-C a 24 pin di STMicroelectronics

Figura 2: Il connettore femmina USB-C a 24 pin non è polarizzato ed è reversibile. Pertanto il collegamento del connettore maschio non presenta problemi, in qualsiasi verso venga inserito. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Guardando alla piedinatura della presa del connettore USB-C si può vedere che i pin di massa (GND) sono disposti all'esterno del connettore (Figura 2). L'immunità al rumore migliora e risulta più semplice anche il collegamento al guscio metallico a massa. I pin bidirezionali D+ e D- dell'USB 2.0 standard vengono duplicati al centro e sono obbligatori per tutte le applicazioni di trasmissione dati USB-C. USB 3.1 ha percorsi separati per la trasmissione e la ricezione ad alta velocità dei dati e i pin di ricezione RX1+ e RX1- sono duplicati con RX2+ e RX2-. I percorsi di trasmissione dei dati di USB 3.1 sono uguali a quelli per TX1+ e TX1- e duplicano TX2+ e TX2-.

Lo standard del connettore USB-C supporta anche la trasmissione video, inclusi DisplayPort e HDMI. Nello standard viene detta modalità alternata e non è trattata in questo articolo.

In questo contesto, il dato importante è che lo standard del connettore USB-C specifica un'erogazione massima di corrente di 3,0 A a 5 V per un massimo di 15 W di potenza. L'USB Power Delivery Standard v2.0 specifica che un connettore USB-C che supporta USB 3.1 può arrivare invece a 100 W di potenza (20 V a 5 A). Questa potenza viene prelevata dai quattro pin VBUS. L'interfaccia USB passa quindi da fonte di alimentazione ausiliaria a fonte primaria.

L'implementazione di connettori USB-C in un progetto può essere complessa

Per supportare fino a 100 W di potenza, garantendo la sicurezza sia all'utente che allo sviluppatore, il layout della scheda deve essere studiato con cura. La maggior parte dei progetti non avrà bisogno di così tanta potenza. Ad esempio, un caricabatterie per smartphone ad "altissima" corrente potrebbe avere un valore nominale di 3,0 A. Tuttavia, il valore migliore per la maggior parte dei connettori USB-C in commercio è 5,0 A tra i pin VBUS e GND. Tale potenza è supportata dal connettore USB-C ad angolo retto USB 3.1 10137062-00021LF Gen 1 di Amphenol FCI (Figura 3).

Immagine del connettore USB-C 10137062-00021LF di Amphenol FCI

Figura 3: Il connettore USB-C 10137062-00021LF di Amphenol FCI è un connettore a corpo corto e ad angolo retto montato dall'alto, a foro passante o a montaggio superficiale. (Immagine per gentile concessione di Amphenol FCI)

Questo connettore femmina USB-C supporta fino a 5 A, quindi per fornire 100 W sono richiesti 20 V c.c. Per la maggior parte dei progetti, tuttavia, sono sufficienti e sicuri 25 W (5 V a 5 A). Questo connettore USB-C supporta la velocità dati USB 3.1 Gen 1 di 5 Gbit/s. La tensione nominale massima è 100 V c.c. o c.a., che può fornire un massimo di 1 A, nel rispetto dei 100 W di potenza massima della specifica.

Supporta il montaggio superficiale o a foro passante e si posiziona sulla parte superiore della scheda a circuiti stampati. Il guscio in acciaio inossidabile del connettore è più robusto di quello in alluminio ed è collegato elettricamente ai pin GND.

Per la sua connessione a massa occorre inserire le quattro linguette strette nelle scanalature della scheda, due su ciascun lato del connettore. Per ottenere un collegamento stabile, saldarle al piano di massa della scheda usando un'abbondante quantità di lega.

Instradamento dei segnali del connettore USB-C

I segnali differenziali ad alta velocità USB 3.1 devono essere instradati in modo accurato, adiacenti tra loro ed esattamente della stessa lunghezza. Per limitare al massimo le EMI, è opportuno ridurre il più possibile la lunghezza delle tracce. Ai fini della migliore immunità al rumore, posizionare i segnali differenziali su uno strato interno della PCB. Se sono instradati sullo strato esterno, isolarli da altre linee dei dati mettendo tracce di massa attorno alle tracce della coppia differenziale. Inoltre, per contenere il più possibile le EMI, l'instradamento dei segnali differenziali deve avvenire sempre su un piano di massa senza interruzioni.

Al momento di progettare la scheda, l'impedenza differenziale della traccia deve essere di 90 Ω ±10% per allinearsi a quella del cavo USB. Ogni traccia deve poi essere instradata in modo da ottenere la stessa impedenza a terminazione singola per ogni coppia. In questa situazione, è buona norma che l'impedenza di una coppia differenziale sia due volte quella di una delle coppie. Pertanto, le tracce dovrebbero essere instradate in modo che ogni impedenza a terminazione singola sia di 45 Ω ±10% o un valore vicino.

Come effettuare l'instradamento sicuro dei segnali di potenza USB-C

L'instradamento dei segnali di potenza è più difficile. Alimentare in modo sicuro 5 A richiede molta cautela per evitare cortocircuiti accidentali verso l'alloggiamento del progetto o l'utente. I 5 A possono essere instradati sullo strato superiore o inferiore della scheda, ma non dovrebbero essere troppo vicini al suo bordo. Ciò consentirà di evitare contatti accidentali con l'alloggiamento del progetto causati da urti o danni all'alloggiamento stesso.

Per alimentare in sicurezza 5 A su una scheda ramata con uno spessore corrispondente a 710 g/mq è richiesta una larghezza della traccia di 44,6 mil. Un metodo più sicuro consiste nell'isolare la corrente da qualsiasi influenza esterna instradando i 5 A su uno strato interno della scheda. In questo caso la traccia dovrebbe essere larga 116 mil, a parità di densità del rame (calcoli basati sul profilo IPC-2221). Per evitare perdite di corrente, instradare quanto più rame possibile vicino ai pin del connettore VBUS.

Connettori USB-C a montaggio verticale

Se lo spazio su scheda è limitato, il connettore femmina USB-C può essere montato in verticale. Per questo, Amphenol FCI offre il connettore USB-C a montaggio verticale USB 3.1 10132328-10011LF.

Immagine del connettore USB-C a montaggio verticale di Amphenol FCI

Figura 4: Questo connettore USB-C a montaggio verticale di Amphenol FCI ha un ingombro ridotto e può essere utilizzato per risparmiare spazio sulla scheda. (Immagine per gentile concessione di Amphenol FCI)

Questo connettore USB-C verticale supporta lo standard di dati USB 3.1 Gen 2 di 10 Gbit/s. Supporta anche l'erogazione di una potenza di 100 W con una tensione nominale massima di 100 V c.c. o c.a. e può raggiungere i 5 A. Ha la stessa struttura del guscio in acciaio inossidabile del connettore ad angolo retto. Come per il connettore ad angolo retto, assicurarsi che le quattro linguette sull'alloggiamento siano collegate a massa in modo sicuro attraverso i fori presenti sulla scheda usando una buona quantità di lega di saldatura.

Diversamente dalla presa ad angolo retto, è possibile solo il montaggio superficiale sull'estremità piccola del connettore, per cui i contatti di potenza VBUS sono più vicini ai contatti dei segnali. È imprescindibile effettuare un attento instradamento dei contatti di potenza in modo che sia lontano dai contatti dei segnali. Data l'esiguità dello spazio, il metodo più sicuro consiste nel posizionare le coppie di dati e i contatti di potenza VBUS su strati diversi della scheda.

Quando viene alimentata potenza ai connettori femmina sopra menzionati, un breve protocollo di handshaking tra l'host e il dispositivo USB decide quanta energia erogare. Esistono sono circuiti integrati che gestiscono le connessioni sink-source USB, rendendo il processo trasparente per lo sviluppatore.

Un buon esempio è il controller source USB-C STUSB1700 di STMicroelectronics. Questo controller gestisce in modo sicuro connessioni USB-C da 5 V tra l'host e il dispositivo. Quando fornisce potenza, STUSB1700 è in grado di rilevare e proteggere da cortocircuiti, assorbimento di corrente oltre un limite programmato, surriscaldamento superiore a 145 °C, condizioni di sottotensione e sovratensione e condizioni di corrente e di tensione invertite. La progettazione di un sistema USB-C sicuro viene in tal modo fortemente semplificata, facilitando il compito dello sviluppatore.

Schema di STUSB1700 di STMicroelectronics che in questo circuito alimenta 3 A di potenza (fare clic per ingrandire)

Figura 5: STUSB1700 in questo circuito alimenta 3 A di potenza e può funzionare in modo indipendente. Se è gestito tramite un microcontroller opzionale con un'interfaccia I2C, occorre aggiungere resistori pull-up da R3 a R10. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

STUSB1700 viene utilizzato per i connettori host USB-C e può rilevare una nuova connessione tra l'host e un dispositivo. È in grado di capire le esigenze di alimentazione del dispositivo ed erogare la corrente richiesta. Riconosce anche se il dispositivo è un accessorio audio digitale, quindi può inviare un segnale al microcontroller per fornire audio digitale attraverso la porta USB-C. Può negoziare con il dispositivo USB per decidere se l'alimentazione deve essere la corrente predefinita USB (fino a 900 mA), quella media USB (fino a 1,5 A) o quella alta USB (fino a 3,0 A).

Conclusione

Se i dispositivi sono progettati in modo adeguato, il nuovo standard USB-C consente di offrire un'alimentazione sicura fino a 100 W. Con tutti gli smartphone, le fotocamere digitali, i computer e gli accessori elettronici standardizzati su un unico connettore di facile uso, gli sviluppatori non devono preoccuparsi delle dimensioni e del tipo di connettore da utilizzare e grazie a questa soluzione i loro progetti saranno idonei anche per esigenze future.

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Informazioni su questo autore

Bill Giovino

Bill Giovino è un ingegnere elettronico con un BSEE ottenuto a Syracuse University, ed è uno dei pochi ad essere passati con successo da progettista, a ingegnere delle applicazioni sul campo, al marketing tecnologico.

Da oltre 25 anni, Bill promuove le nuove tecnologie per un pubblico tecnico e non tecnico a nome di molte aziende, tra cui STMicroelectronics, Intel e Maxim Integrated. In STMicroelectronics, Bill ha contribuito a guidare i primi successi dell'azienda nel settore dei microcontroller. Con Infineon, Bill ha orchestrato i primi successi di progettazione di microcontroller dell'azienda nel settore automotive statunitense. In qualità di consulente di marketing per la sua società CPU Technologies, Bill ha aiutato molte aziende a trasformare prodotti di secondo grado in storie di successo.

Bill è stato uno dei primi ad adottare l'Internet delle cose, compresa l'integrazione del primo stack TCP/IP completo su un microcontroller. Bill è fedele al motto "Le vendite guidate dall'educazione" e tiene molto alla crescente importanza di comunicazioni chiare e ben scritte nella promozione di prodotti online. È moderatore del famoso gruppo Sales & Marketing di LinkedIn Semiconductor e parla correntemente di B2E.

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