Con applicazioni in elettronica personale, automotive, sistemi industriali e aziendali, USB Type-C (USB-C) è un connettore standard del settore che consente la trasmissione di dati e alimentazione su un’unica interfaccia. USB Power Delivery (PD) è uno standard che utilizza il connettore USB-C e che aumenta le capacità e le caratteristiche di un’interfaccia USB-C.
Fino a poco tempo fa, la specifica USB PD 3.0 ora denominata SPR (Standard Power Range) e consentiva fino a 100 W (20 V, 5 A) di potenza, con flusso in entrambe le direzioni. L’ultima specifica USB PD 3.1 aumenta la gamma di potenza a 240 W (48 V, 5 A), sempre tramite un cavo USB-C, e viene denominata EPR (Extended Power Range).
La tabella 1 mostra un confronto tra EPR e SPR.
- Richiede un cavo da 5 A.
- Richiede un cavo EPR.
EPR consente di supportare fino a 240 W di potenza (28 V, 36 V e 48 V a 5 A). La modalità EPR ha lo stesso requisito per i sink di valutare e negoziare i contratti. Dopo essere entrati in modalità EPR, una porta inizia a negoziare un oggetto di erogazione di potenza (PDO) fino a 240 W (48 V, 5 A). Il limite di 48 V rappresenta un limite pratico quando si considerano i margini di sicurezza di progettazione.
Oltre all’estensione del livello di tensione fisso in modalità EPR, l’alimentazione deve anche seguire le specifiche per un’alimentazione a tensione regolabile (AVS). In modalità EPR, AVS consente al sink di regolare la tensione tra 15 V e 48 V con incrementi di 100 mV per prestazioni migliorate ed efficienza termica ottimizzata. AVS consente inoltre al sink di ricevere tensioni da qualsiasi caricabatterie, il che consente di evitare adattatori personalizzati e creare un’esperienza utente coerente all’interno del proprio ecosistema elettronico.
La Figura 1 mostra gli intervalli di alimentazione programmabile (PPS) e AVS rispetto ai livelli di potenza SPR ed EPR. Sebbene PPS e AVS abbiano entrambi dimensioni di step programmabili, non sono la stessa cosa e sono pensati per usi diversi. AVS agisce come un alimentatore a tensione costante e fornisce una tensione DC costante al sistema per migliorare l’efficienza. PPS ha una finestra di step size più piccola (20 mV) e può caricare direttamente una batteria, bypassando il caricabatterie in un dispositivo collegato. La differenza principale tra AVS e PPS è che con PPS, la tensione negoziata cambierà costantemente nel tempo. Man mano che la batteria si carica, la tensione di carica PPS richiesta aumenterà. AVS è pensato per essere un alimentatore costante che fornisce una tensione di ingresso del sistema a un livello di tensione più vicino a quello richiesto dal sistema nel suo complesso.
Figura 1. Tensioni USB PD 3.2 richieste per la sorgente.
Prodotti alimentati a batteria e soluzioni di nuova generazione
I prodotti portatili alimentati a batteria come gli altoparlanti Bluetooth e gli utensili elettrici trarranno vantaggio dall’adozione di USB-C. L’implementazione di USB-C per questi tipi di prodotti consente loro sia di caricarsi dalla porta USB-C sia di fornire alimentazione a un dispositivo collegato utilizzando la stessa porta. I prodotti che utilizzano un caricabatterie singolo o multicella possono ora essere abbinati a un controller USB-C o USB PD, che consente alle applicazioni di generare e assorbire energia dalla porta USB-C. La Figura 2 illustra un’architettura tipica per i dispositivi che passano a USB-C e USB PD.
Figura 2. Diagramma a blocchi dei prodotti alimentati a batteria con USB-C
Per semplificare la progettazione della porta USB PD per i prodotti alimentati a batteria, i controller USB PD di TI aggiungono il supporto host I2C per controllare direttamente il caricabatterie. Questo controllo host I2C integrato consente una soluzione a due chip senza la necessità di un microcontrollore esterno (MCU). Il controller USB PD aggiornerà automaticamente i parametri di carica del caricabatterie tramite I2C in base alla negoziazione di potenza sulla porta USB PD.
Inoltre, non è necessario sviluppare firmware per aggiungere una porta USB PD ai prodotti alimentati a batteria. TPS25751 e TPS26750 sono due controller USB PD utilizzati per gli abbinamenti USB-C più caricabatterie. Il TPS25751 è un controller SPR PD, mentre il TPS26750 è un controller EPR PD in grado di negoziare l’intero EPR da 240 W. La Tabella 2 mostra gli abbinamenti consigliati tra controller USB PD e caricabatterie. I progetti di riferimento per questi abbinamenti consentono un copia incolla del progetto nelle applicazioni.
Progetti di riferimento
Per supportare l’intera gamma di potenza estesa da 240 W, il progetto di riferimento del caricabatterie per batterie EPR PD3.1 USB Type-C da 240 W abbina il TPS26750 al controller di carica buck-boost bidirezionale BQ25756. Come mostrato nella Figura 3, questo progetto di riferimento abbina questi due dispositivi su un singolo circuito stampato, consentendo una soluzione bidirezionale da 240 W senza la necessità di una MCU esterna o di un firmware personalizzato.
Figura 3. Diagramma a blocchi del design di riferimento del caricabatterie EPR.
Il design di riferimento del caricabatterie è un design di riferimento USB PD e di ricarica per batterie da sette a 14 celle per prodotti come utensili elettrici, aspirapolvere, stazioni di alimentazione portatili ed e-bike. Il TPS26750 funziona con il BQ25756 tramite una semplice comunicazione I2C, che non richiede lo sviluppo di firmware. La programmazione del TPS26750 è molto semplice e si effettua tramite l’uso dello strumento di personalizzazione dell’applicazione per i controller TI USB PD.
Il design di riferimento del caricabatterie può supportare la ricarica di batterie con un massimo di 240 W tramite una sorgente di ingresso conforme allo standard USB PD 3.1 e un’uscita massima di 48 V, 5 A in modalità on-the-go. Il BQ25756 implementa un caricabatterie buck-boost a quattro interruttori, che passa tra le modalità buck, buck-boost e boost. L’elevata integrazione e il design semplice riducono i costi della distinta base, consentono dimensioni più piccole e riducono il tempo di commercializzazione.
Conclusione
Grazie all’aumento della potenza massima, USB-C si sta affermando come il connettore universale del futuro. Se da un lato USB-C può essere visto come una tecnologia nuova e impegnativa, le soluzioni TI offrono integrazione sia dal punto di vista software che hardware, semplificando il processo di progettazione. Il controller USB PD di Texas Instruments e l’abbinamento del caricabatterie, insieme ai progetti di riferimento, consentono una soluzione di dimensioni più compatte e tempi di commercializzazione ridotti.
Risorse aggiuntive
- Video della demo USB Type-C Power Delivery 3.1 Extended Power Range + caricabatterie Application Demo
- Video USB Type-C: The Future of Connectivity
- Approfondimenti su USB Type-C technologies
- Ulteriori informazioni su TI USB Type-C and USB Power Delivery ICs
- Video liquid detection demo video
- White paper A Primer on USB Type-C and USB Power Delivery Applications and Requirements
Adam McGaffin è Product Marketing Manager presso Texas Instruments
