Superare le sfide della progettazione di applicazioni USB Type-C PD

Quando gli utenti riescono a caricare i propri dispositivi senza problemi utilizzando USB Type-C Power Delivery (PD), i progettisti possono rallegrarsi di aver fatto un buon lavoro, essendo riusciti a superare le complesse sfide della ricarica USB PD.

USB PD, progettata per la scalabilità, è ampiamente utilizzata in laptop, smartphone, periferiche e dispositivi IoT, riducendo la necessità di adattatori di alimentazione proprietari. Si tratta di una tecnologia trasformativa, con un connettore reversibile che consente una ricarica e un trasferimento dati flessibili e ad alta potenza.

Il connettore è in grado di gestire diverse tensioni e più livelli di potenza, da 5 a 20 V e fino a 100 W e oltre. Per una gestione più efficiente dell'alimentazione, può anche passare tra fonti di alimentazione e carichi. I vantaggi sono la ricarica rapida, la compatibilità di più dispositivi e il trasferimento efficiente dell'energia, con funzioni di sicurezza integrate come la protezione da sovratensione e sovracorrente.

Se, da un lato, USB PD offre agli utenti una ricarica più rapida e un trasferimento di potenza superiore, dall'altro complica però la progettazione. Le applicazioni devono essere in grado di gestire gli scambi di ruolo tra la fonte di alimentazione e il carico, garantire la conformità USB PD 3.0 e potrebbero aver bisogno di firmware per gestire i profili di potenza.

I dispositivi che utilizzano questi connettori, come laptop, tablet e banchi di potenza, devono potersi caricare da varie fonti di alimentazione (USB-C, adattatori a parete, batterie) mantenendo un'elevata efficienza. Alcuni progetti possono essere limitati alla ricarica buck (step-down) o boost (step-up), per cui risultano inefficienti in presenza di tensioni di ingresso variabili.

Vi sono poi anche altri problemi, come la riduzione al minimo della generazione di calore dovuta alla conversione di potenza, la garanzia della compatibilità con più dispositivi con caricatori e accessori diversi e l'efficienza energetica in progetti compatti.

Le applicazioni semplici ad alimentazione fissa potrebbero non richiedere firmware, ma in genere le applicazioni USB PD dinamiche o multiruolo ne hanno bisogno. Molti controller USB PD avanzati richiedono il firmware per gestire la negoziazione dell'alimentazione, gli scambi di ruolo e funzioni di sicurezza aggiuntive.

Semplificare e ottimizzare la distribuzione dell'energia elettrica per USB PD

Renesas Electronics Corporation offre una soluzione EPR (Extended Power Range) USB-PD comprensiva di un controller di porta Type-C e di un caricatore buck/boost che, congiuntamente, riducono la complessità e ottimizzano la distribuzione dell'energia elettrica per progetti USB-PC efficienti e affidabili.

Il controller di porta USB Type-C RAA489400 di Renesas (Figura 1) riduce la complessità del firmware integrando le funzioni chiave di USB PD 3.0, tra cui la negoziazione della potenza, gli scambi di ruolo e le protezioni di sicurezza, che altrimenti potrebbero richiedere tempi lunghi e costi di sviluppo elevati. Sebbene sia in grado di gestire la distribuzione dell'energia elettrica in modo autonomo, il controllo avanzato delle policy o i profili di alimentazione personalizzati potrebbero richiedere un MCU.

Figura 1: Il controller di porta RAA489400 di Renesas integra le funzioni chiave di USB PD 3.0. (Immagine per gentile concessione di Renesas Electronics Corporation)

RAA489400 semplifica la conformità USB PD, la gestione degli scambi di ruolo dell'alimentazione, la negoziazione e la protezione dai guasti. È in grado di supportare applicazioni ad alta potenza fino a 240 W, il che lo rende adatto per dispositivi mobili alimentati a batteria, banchi di potenza e desktop, biciclette elettriche e droni, impianti industriali ed elettrodomestici come gli aspirapolvere.

Il controller incorpora un convertitore analogico/digitale per un monitoraggio preciso della corrente e della tensione VBUS che consente di ottimizzare in tempo reale la distribuzione dell'energia elettrica. La comunicazione SMBus/I²C rende possibile l'integrazione perfetta con i gestori di porte Type-C (TCPM), garantendo la compatibilità con i sistemi multiporta e semplificando lo sviluppo del firmware.

RAA489118 di Renesas (Figura 2) è un caricatore buck/boost ad alta efficienza progettato per gestire la distribuzione dell'energia elettrica in un ampio intervallo di tensioni di ingresso e uscita, garantendo allo stesso tempo prestazioni ottimali della batteria.

Figura 2: Il caricatore buck/boost RAA489118 garantisce una transizione fluida tra i diversi ingressi di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Renesas Electronics Corporation)

Può aumentare o diminuire la tensione in base alle esigenze e supportare applicazioni che richiedono la ricarica da più fonti di alimentazione, come adattatori USB Type-C, pannelli solari o collegamenti diretti alla batteria. RAA489118 si regola indipendentemente dal fatto che la tensione di ingresso sia superiore o inferiore al livello di carica richiesto dalla batteria, garantendo così un processo di ricarica stabile ed efficiente. Il caricatore elimina la necessità di più componenti discreti per la gestione dell'alimentazione, riducendo la complessità della PCB e i costi di sviluppo complessivi.

Conclusione

USB Type-C PD consente ai progettisti di creare dispositivi più intelligenti, più efficienti e a ricarica più rapida, a condizione che riescano a superare le sfide intrinseche di questa tecnologia. Il controller di porta USB Type-C RAA489400 e il caricatore buck/boost RAA489118 di Renesas sono una soluzione completa di gestione dell'alimentazione che semplifica la distribuzione dell'energia elettrica USB-C e la ricarica della batteria per applicazioni ad alte prestazioni.