I controller sink USB PD 3 alimentano le applicazioni USB Type-C

I tempi stanno per scadere per quanto riguarda i caricabatterie proprietari dei dispositivi, in quanto le autorità normative si stanno muovendo per richiedere una soluzione di ricarica comune basata su un cavo e un connettore standard USB Type-C®. I progettisti di prodotti che vogliono anticipare i requisiti regionali per soddisfare questo standard possono ottimizzare già da oggi le loro applicazioni adottando i controller sink USB Power Delivery (PD) che negoziano la distribuzione dell'energia elettrica tra i dispositivi e i caricabatterie.

Da dicembre 2024, nell'Unione Europea, qualsiasi dispositivo cablato e ricaricabile che richieda fino a 100 W (i laptop sono temporaneamente esenti dal mandato fino al 2026) dovrà utilizzare la porta ricaricabile USB Type-C conforme alle specifiche USB PD. Altri mandati per l'adozione di questo standard entreranno in vigore nel 2025 in India e Arabia Saudita, seguiti nel 2026 dalla California.

Da solo, USB Type-C è in grado di erogare soltanto 5 V a 3 A, per un totale di 15 W. Per raggiungere i 100 W sono necessarie le specifiche USB PD 3.0 o USB PD 3.1, che assicurano che i connettori Type-C possano negoziare tensioni più elevate e trasferire dati ad alta velocità.

USB PD 3.0 supporta fino a 100 W e tensioni fisse di 5 V, 9 V, 15 V e 20 V, con una corrente massima di 5 A. La specifica USB PD 3.1 aggiornata presenta un intervallo di potenza esteso (EPR) e un'alimentazione di tensione avanzata (AVS), aumentando la potenza di uscita fino a 240 W e aggiungendo tre nuove tensioni fisse di 28 V, 36 V e 48 V.

Le specifiche USB PD 3.x migliorano le precedenti versioni PD 2.0 con un aumento della quantità di informazioni scambiate tra il dispositivo alimentato (sink) e la fonte di alimentazione (source) per includere fattori che possono avere un impatto sull'applicazione, come lo stato di carica della batteria del dispositivo, la temperatura della batteria, i guasti e la sovratensione.

I 100 W di potenza erogati tramite USB PD 3.0 sono sufficienti per caricare alcuni computer portatili, monitor e persino alcuni televisori. USB PD supporta anche le uscite video e audio, tra cui DisplayPort e HDMI, e i protocolli di trasferimento dati come Thunderbolt 3.

Applicazioni avanzate

I progettisti di prodotti possono sfruttare USB PD 3.x per offrire agli utenti un'esperienza migliore con una ricarica e un trasferimento dati più rapidi e la compatibilità dei dispositivi con un unico cavo e connettore. Possono contribuire a ridurre i rifiuti elettronici che si accumulano a causa dell'uso da parte dei consumatori e delle aziende di più cavi e caricabatterie per ricaricare svariati dispositivi.

Questa tecnologia consente ai progettisti di semplificare i progetti con un minor numero di porte e componenti. Inoltre, possono essere in grado di ridurre i costi di produzione e di spedizione grazie all'eliminazione del peso e dell'imballaggio aggiuntivo dei caricabatterie, nonché del tempo e dell'impegno necessari per aggiornare i nuovi caricabatterie specifici per i dispositivi.

Utilizzando un unico cavo e connettore per più funzioni, i progettisti possono concentrarsi sulla creazione di applicazioni nuove e migliorate che sfruttano l'elevata potenza e la velocità di trasmissione dei dati di USB Type-C PD. Possono anche migliorare l'esperienza utente e la funzionalità dei loro prodotti con caratteristiche aggiuntive come docking station, hub e convertitori che espandono la connettività e la compatibilità dei dispositivi.

Nello sviluppo di nuove applicazioni che utilizzano USB PD 3.0, i progettisti devono affrontare alcune sfide, come l'aderenza alle specifiche USB PD e l'interoperabilità con altri dispositivi e caricabatterie.

La prevenzione di danni o lesioni dovuti a sovratensione, sovracorrente o inversione di polarità è un altro problema, soprattutto perché le soluzioni basate su questa tecnologia utilizzano circuiti e firmware più complessi rispetto alle generazioni precedenti. Per superare queste sfide sono disponibili controller di alimentazione che supportano più protocolli e configurazioni e schede di valutazione per una rapida prototipazione e verifica.

USB Type-C PD al lavoro

Fondamentale per USB PD 3.0 è la capacità di negoziare e gestire la distribuzione dell'energia elettrica tra un sink e un source utilizzando un protocollo standardizzato. I controller sink USB PD negoziano con un source USB PD, ad esempio un caricabatterie, per acquisire il profilo di alimentazione di un dispositivo. I dispositivi conformi possono richiedere e fornire tensioni e correnti diverse in base alle loro esigenze e capacità e regolare dinamicamente i livelli di potenza durante il funzionamento.

Il processo di negoziazione e gestione della distribuzione di energia si articola in quattro fasi:

• Il rilevamento avviene quando il sink e il source si identificano reciprocamente come dispositivi compatibili con USB PD e stabiliscono un canale di comunicazione dati attraverso i pin del canale di configurazione (CC) sul connettore USB Type-C.
• Lo scambio di capacità avviene quando il source identifica i profili di potenza supportati (livelli di tensione e di corrente) al sink, che quindi richiede un profilo corrispondente ai suoi requisiti.
• Il contratto di potenza è un processo che consente al source di accettare o rifiutare la richiesta del sink. Se accettata, il source inizia a fornire la potenza richiesta al sink utilizzando i parametri di potenza concordati.
• L'aggiornamento delle regole di alimentazione consente al sink o al source di avviare una nuova negoziazione dell'alimentazione per adattarsi alle modifiche dei livelli della batteria o del carico del sink, o alle modifiche della potenza di ingresso del source.

USB PD 3.0 utilizza messaggi estesi che regolano lo scambio di informazioni tra un sink e un source, come lo stato della batteria, la temperatura o i dati specifici del produttore. Supporta inoltre la modalità di alimentazione programmabile (PPS), per un controllo più preciso della tensione e della corrente di uscita del source e una commutazione continua dei ruoli di alimentazione tra sink e source senza interrompere la comunicazione dei dati.

Un'altra funzionalità chiave di USB PD 3.0 è la ricarica inversa, che consente a un dispositivo con una capacità della batteria superiore di caricare un dispositivo con una capacità inferiore, indipendentemente dal ruolo di alimentazione. Così, ad esempio, utilizzando lo stesso cavo USB Type-C, un laptop può ricaricare uno smartphone o lo stesso smartphone può ricaricare un paio di cuffie, con un evidente vantaggio per gli utenti che possono portare con sé un unico cavo per ricaricare più dispositivi.

La ricarica inversa potrebbe non essere compatibile con tutti i dispositivi o caricatori. Inoltre, può comportare una riduzione della durata della batteria del dispositivo che funge da source e aumentare la complessità e il costo di progettazione del circuito. Pertanto, come per tutte le applicazioni elettroniche, i progettisti devono valutare il compromesso tra l'implementazione della ricarica inversa e la conformità alle specifiche USB PD 3.x e testare l'interoperabilità con una serie di dispositivi e caricabatterie.

Controller sink USB 3

Per abilitare la funzionalità USB PD 3.x nei loro dispositivi, i progettisti possono utilizzare controller sink dedicati che supportano il protocollo e gestiscono la comunicazione con il dispositivo source.

Diodes Incorporated offre soluzioni altamente integrate ed economicamente vantaggiose che garantiscono la ricarica rapida, la ricarica inversa, la modalità PPS e altre caratteristiche di USB PD 3.x. Supportano inoltre i protocolli legacy come Qualcomm Quick Charge 4+ e Huawei FCP/SCP, garantendo la compatibilità con un'ampia gamma di caricatori e adattatori.

AP33771 (Figura 1) è un controller USB PD 3.0 dotato di firmware conforme a USB PD 3.0 e di un'interfaccia con un menu di alimentazione precaricato, che ne semplifica l'uso. Fornisce un canale di uscita in grado di erogare fino a 27 W di potenza.

Figura 1: Assegnazione dei pin del controller sink AP33771. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

AP33772 (Figura 2) è un controller USB PD 3.0 che utilizza un'interfaccia I²C e un firmware integrato per negoziare alimentazione e tensione. Ciò offre ai progettisti una maggiore flessibilità nell'implementazione di tutte le funzioni del sink PD. Offre inoltre due canali di uscita in grado di erogare fino a 45 W di potenza e dispone di un circuito di protezione da sovratensioni (OVP) integrato per ciascun canale, in grado di prevenire danni al dispositivo in caso di caricabatterie o cavi difettosi.

Figura 2: Il controller sink AP33772 di Diodes ha le stesse dimensioni del modello AP33771, ma un'assegnazione dei pin diversa. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Diodes offre anche un controller sink USB PD 3.1, il modello AP33771C, che supporta EPR/AVS fino a 28 V e Standard Power Range (SPR)/PPS fino a 21 V.

Ciascuno di questi controller offre basso consumo energetico in standby, elevata efficienza e funzioni di protezione termica. Sono disponibili in contenitori W-QFN4040-24 (4 x 4 mm) poco ingombrante, che li rendono adatti a dispositivi compatti e portatili.

Inoltre, Diodes offre due schede di valutazione per i suoi controller USB PD 3.0. AP33771-EVB e AP33772-EVB sono entrambe progettate per applicazioni di ricarica che utilizzano un dispositivo dotato di connettore Type-C e un caricabatterie o adattatore PD dotato di connettore Type-C. AP33771-EVB utilizza una semplice impostazione della resistenza per la negoziazione USB-PD, mentre AP33772-EVB utilizza I²C.

Conclusione

USB Type-C sta per diventare lo standard globale per la connettività dei dati dei dispositivi. I protocolli USB PD 3.x offrono ai progettisti un percorso per creare applicazioni che forniscono più potenza, una ricarica più veloce e un migliore trasferimento di dati per i loro dispositivi utilizzando connettori e cavi accettati a livello globale, eliminando la necessità di caricabatterie specifici. Con le soluzioni di Diodes Incorporated, i progettisti possono integrare facilmente USB PD 3.0 o PD 3.1 nei loro dispositivi per aumentare le prestazioni e migliorare l'esperienza dell'utente.