Verwenden von Evaluierungskits zum Entwickeln und Testen von USB-Typ-C™- und USB-PD-Produkten in einer kontrollierten Umgebung

Die neuesten Spezifikationen für USB-Stecker/-Kabel, die Stromversorgung per USB (Power Delivery: PD) und das USB-Protokoll (USB Typ-C, USB PD 3.0 bzw. USB 3.2) vereinfachen die Verwendung der Stecker und erhöhen den Datendurchsatz sowie die Stromversorgungsfähigkeiten von USB. Entwickler, die gern die neuen Spezifikationen verwenden möchten, werden allerdings feststellen, dass die Implementierung einige Herausforderungen birgt. So kann insbesondere die Unterstützung höherer Spannungen und Ströme die Beschädigung inkompatibler Peripheriegeräte sowie die Überhitzung von Kabeln, Steckern und Anschlüssen zur Folge haben.

Entwickler, die mit USB Typ-C und USB PD nicht vertraut sind, müssen die Möglichkeit haben, in einer kontrollierten Umgebung mit geeigneter Softwareschnittstelle mit der neuen Technik zu experimentieren. Diesem Bedarf tragen USB-Chip-Anbieter jetzt Rechnung und bringen Evaluierungskits (EKs) mit Software und Karten heraus, die Netzteile, USB-Anschlüsse für den PC sowie die neueste Generation von USB-Chips umfassen. Mit diesen EKs können Entwickler unter Rückgriff auf ein bewährtes Design und eine benutzerfreundliche Oberfläche Erfahrungen mit der Konfiguration von USB Typ-C und USB PD sammeln. Zudem lassen sich die EKs als Referenzdesign für die Prototypen der Entwickler nutzen.

In diesem Artikel werden die wichtigsten Merkmale der neuesten USB-Typ-C-Spezifikationen erläutert und einige der komplexeren Fragen bei ihrer Implementierung beschrieben. Anschließend werden die Kits von ON Semiconductor, STMicroelectronics und Texas Instruments vorgestellt und erläutert, wie sich mit ihnen die Möglichkeiten der USB-Technologien sicher erforschen lassen. Die integrierten Komponenten, auf denen das Evaluierungskit und die Karten basieren, können anschließend in neue Produkte integriert werden, um von der größeren Leistung zu profitieren und gleichzeitig Platz zu sparen sowie die Anzahl der Komponenten zu verringern.

Warum auf die neuesten USB-Spezifikationen upgraden?

Die wichtigsten Gründe für das Upgraden eines Produkts auf die neuesten USB-Spezifikationen:

• Mehr Komfort: USB Typ-C basiert auf einem kompakten punktsymmetrischen Anschluss, bei dem der Verbraucher beim Anschließen nicht auf die Ausrichtung achten muss. Zudem trägt er dem Formfaktor moderner Unterhaltungselektronik besser Rechnung.
• Größerer Datendurchsatz: USB 3.2 (seit 2017 verfügbar und alle früheren USB-3.x-Spezifikationen einschließend) bietet Datenraten von bis zu 20 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s).
• Höhere elektrische Leistung: USB PD 3.0 bietet bis zu 100 Watt (5 Ampere (A) x 20 Volt) für das schnelle Laden von Tablets und tragbaren Computern.

Der USB-Typ-C-Anschluss ist für USB 3.2 Gen 2x2 obligatorisch, und künftige Versionen des Standards sind nur damit kompatibel (und nicht mit dem Typ-A- oder -B-Stecker). Die Spezifikation umfasst einen 24-poligen Stecker, der vier +5-Volt-Erdungspaare, zwei Differenzialpaare für den USB-2.0-Datenbus, vier Paare für den SuperSpeed-Datenbus, zwei „Sideband Use“-Pins und V_CONN +5 Volt für aktive Kabel sowie CC-Pins (Channel Configuration) zur Kabelausrichtungserkennung und Verbindungsverwaltung bereitstellt. Hinweis: Die bei einer bestimmten Anwendung verwendeten Pins variieren in Abhängigkeit vom verwendeten Kommunikationsprotokoll und den Leistungsanforderungen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der 24-polige USB-Typ-C-Stecker kann ausrichtungsunabhängig eingesteckt werden. Die CC-Pins dienen dabei der Kabelausrichtungserkennung und der Verbindungsverwaltung. (Bildquelle: Texas Instruments)

Ein „voll ausgestatteter“ USB-Typ-C-Anschluss und das zugehörige Kabel unterstützen die höchsten USB-Datenraten. Bei USB Typ-C kann sich der Entwickler beispielsweise zwischen den Protokollen USB 3.2 Gen 1 (SuperSpeed mit 5 Gbit/s), USB 3.2 Gen 2 (SuperSpeed mit 10 Gbit/s) oder USB 3.2 Gen 2x2 (SuperSpeed mit 20 Gbit/s) entscheiden. Hinweis: Es gibt Kombinationen von USB-Typ-C-Steckern und -Kabeln mit unvollständigem Funktionsumfang, die die Leistungsmerkmale der neuesten Spezifikation nicht unterstützen. Der verbleibende Teil des Artikels befasst sich mit Designs, bei denen nur USB-Typ-C-Hardware mit vollem Funktionsumfang zum Einsatz kommt.

Bei USB Typ-C kann der Entwickler zudem die höchsten USB-PD-Spannungen und -Ströme nutzen, die im Rahmen der USB-PD-2.0/3.0-Protokolle verfügbar sind. Ab USB PD 2.0 definiert die Spezifikation vier Spannungspegel: 5, 9, 15 und 20 Volt. Anstatt der sechs festen Pegel des ursprünglichen USB-PD-Standards können die Netzteile auch eine maximale Ausgangsleistung von 0,5 bis 100 Watt unterstützen. Quellen, die mehr als 15 Watt liefern, bieten Spannungen von 5 und 9 Volt; Quellen, die mehr als 27 Watt liefern, bieten 5, 9 und 15 Volt, und Quellen, die mehr als 45 Watt liefern, bieten 5, 9, 15 und 20 Volt. Diese unterschiedlichen Kombinationen von Spannung und Strom werden als „Leistungsprofile“ bezeichnet.

Die flexiblen Leistungsstufen bieten viele Vorteile, erhöhen jedoch die Komplexität und bergen aufgrund der höheren Spannungen und Ströme, die von der Technologie unterstützt werden, einige interessante konstruktive Herausforderungen. So erfordert USB PD beispielsweise eine zusätzliche Komponente – einen Port-Controller – für das Aushandeln und Implementieren von USB-PD-Leistungsprofilen. Entwickler, die an USB Typ-A gewöhnt sind, werden mit diesen Unterschieden nicht vertraut sein. Dadurch steigt das Risiko für suboptimale oder sogar falsche Designentscheidungen.

Ein USB-Typ-C-System mit USB PD lässt sich über ein A-zu-C-Kabel beispielsweise an einen USB-Typ-A-Port anschließen; der V_BUS-Wert des USB-Typ-A-Ports wird auf rund 5 Volt gehalten, der USB-Typ-C-Port mit USB PD kann jedoch bis zu 20 Volt bei 5 A liefern. Der Port mit der höheren V_BUS-Spannung leitet den Strom in den anderen Port, und viele USB-Typ-A-Port-Leistungsschalter haben keinen Rückstromschutz und können daher von der höheren Spannung beschädigt werden. (Weitere Informationen zu USB Typ-C und zum USB-PD-Design finden Sie im DigiKey-Artikel „Entwicklung von USB Typ-C und Einsatz von Power Delivery für das Schnellladen“.)

Handhaben der Komplexität von USB Typ-C

Die Vielseitigkeit von USB Typ-C und USB PD ist das Ergebnis konfigurierbarer Kabel, Ports und Leistungseinstellungen. USB-Typ-C-Anschlüsse erkennen und konfigurieren Verbindungen elektronisch unter Verwendung der Kanalkonfiguration (CC). USB-Typ-C-Ports können reine Host-, reine Geräte- (bei herkömmlichen USB-Host- und Geräte-Rollen) bzw. Ports mit zwei Rollen (Dual-Role Ports: DRP) sein. Der Host ist der nach unten zeigende Port (DFP) und das Gerät der nach oben zeigende Port (UFP).

Weitere Vorteile von USB Typ-C:

• Rekonfigurierbarkeit von Dual-Role-Ports. Ein tragbarer Computer kann beispielsweise als UFP fungieren, wenn er von einem Monitor geladen wird, oder als DFP, wenn er einen Mini-Lüfter mit Strom versorgt.
• Die Fähigkeit, elektronisch zu ermitteln, ob V_BUS USB-Typ-C-Standardleistung oder USB PD verwendet wird, ggf. durch Konfigurieren von V_CONN.
• Unterstützung von optionalen Alternativ- und Zubehörmodi.

Port-Controller arbeiten mit PD-Controllern zusammen, um den Leistungsbedarf und die Versorgungsrichtung zu bestimmen, damit beispielsweise ein Gerät mit einem kleinen Akku wie ein Smartphone nicht versucht, ein Gerät mit hohem Leistungsbedarf wie einen tragbaren Computer mit Strom zu versorgen. Port-Controller haben häufig einen eingebetteten Mikrocontroller. Daher wird kein externes Gerät zur Überwachung von Stromtransaktionen benötigt.

Als Unterstützung bei der Handhabung der Komplexität und der Gewährleistung eines erfolgreichen Designs bieten USB-Chip-Lieferanten Evaluierungskits an, bei denen der Entwickler mit optimierten und geschützten Schaltkreisen experimentieren kann, um die für die Anwendung am besten passenden Konfigurationen von USB Typ-C und USB PD zu ermitteln. Ein Beispiel dafür ist das EK STR-USBC-4PORT-200W-EVK von ON Semiconductor, ein EK mit vier USB-Typ-C-Ports und 200 Watt. Mit diesem Kit können Entwickler die Fähigkeiten von USB PD 3.0 bei Spannungsausgängen von 5, 9, 15 und 20 Volt sowie Strömen von bis zu 5 Ampere und einer maximalen Ausgangsleistung von 100 Watt pro Port untersuchen. Aufgrund der Einschränkungen bei der Spannungsversorgung ist das EK auf eine maximale Ausgangsleistung von 200 Watt an seinen vier Ports limitiert.

Das STR-USBC-4PORT-200w-EVK umfasst einen USB-PD-Port-Controller, einen Hochspannungsschutzschalter und einen Abwärtsregler (Buck). Es ist mit einer Wechsel-/Gleichstromversorgung ausgestattet, die von einem 90-Volt- bis 265-Volt-Eingang gespeist wird. Überstrom- und Wärmeschutz sind integriert. Das EK wird mit der Strata-Software von ON Semiconductor geliefert, die Konfigurationstools zum Testen von Leistungsprofilen, zum Experimentieren mit verschiedenen Fehler- und Foldback-Funktionen sowie zum Überwachen der Systemtelemetrie während der Versorgung angeschlossener Geräte mit variablen Ladelasten enthält (Abbildung 2).

Abbildung 2: USB-Typ-C-Evaluierungskit von ON Semiconductor mit einem 200-Watt-AC/DC-Frontend und einem USB-PD-Ausgang mit vier Ports. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Der Port-Controller des EK ist der FUSB307B von ON Semiconductor. Er ist darauf ausgelegt, einen USB-Typ-C-Port-Controller (TCPC) mit USB-PD-Funktionen zu implementieren. Der Chip entspricht der USB-PD-Schnittstellenspezifikation als TCPC mit einer standardisierten Schnittstelle für einen USB-Typ-C-Port-Manager (TCPM) und enthält eine USB-Typ-C-Erkennungsschaltung, die eine manuelle Einsteck-/Abzieherkennung ermöglicht. Die zeitkritische PD-Funktionalität des Chips wird autonom gehandhabt. Daher ist auch kein System-Mikrocontroller oder TCPM erforderlich.

STMicroelectronics bietet seinerseits das STEVAL-ISC004V1 USB-PD-EK an. Dieses EK ist eine sofort einsatzbereite USB-PD-Quelle, die auf dem USB-PD-Controller STUSB4710A von STMicroelectronics basiert und die Umwandlung eines Gleichstromeingangs mit fester Spannung in einen variablen USB-PD-Spannungsausgang demonstriert. Der USB-PD-Controller kommuniziert per USB Typ-C CC, um eine bestimmte Menge an elektrischer Leistung für ein angeschlossenes Gerät auszuhandeln. Er kann alle Verbindungen zu einem DFP oder UFP ohne Unterstützung durch einen Mikrocontroller handhaben.

Texas Instruments (TI) bietet mit dem USB-CTM-MINIDK-EVM ebenfalls eine USB-Typ-C-Dockingstation-Schnittstellen-EK an (Abbildung 3). Das EK ist eine Referenzlösung für ein USB-Typ-C-Dock einschließlich USB PD, Audio, USB-Daten, Stromversorgung und Video. Über den primären USB-Typ-C-PD-Port unterstützt das EK sowohl die Abgabe als auch den Empfang elektrischer Leistung. Wenn das Dock über ein externes USB-Typ-C-Ladegerät mit Strom versorgt wird, kann es 5 Volt bei 3 A oder 12 bis 20 Volt bei 5 A liefern.

Das EK umfasst Folgendes:

• TUSB8041: Ein USB-3.0-Hub-Controller mit vier Ports, der über DFPs und UFPs bis zu SuperSpeed-USB liefern kann.
• TUSB321: Ein TCPC zur Ermittlung der Port-Belegung mit Stecker, der Kabelausrichtung und für die Rollenerkennung. Der Chip kann als DFP, UFP oder DRP konfiguriert werden.
• TPS65982: Ein USB-Typ-C-Controller für die USB-PD-Aushandlung und die Aktivierung des Strompfades.

Abbildung 3: Das USB-Typ-C-Schnittstellen-Evaluierungskit USB-CTM-MINIDK-EVM von TI ist eine Referenzlösung für ein USB-Typ-C-Dock mit USB-Daten, USB PD, Audio und Video. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die EKs von ON Semiconductor, TI und STMicroelectronics führen den Entwickler durch die Einrichtung und Konfiguration eines USB-Typ-C-Designs mit USB PD.

Die Entwicklung mit dem EK von ON Semiconductor erfolgt über das Strata Developer Studio des Unternehmens. Als Einstieg müssen Entwickler eine Wechselspannung an das EK anlegen, es über das Mini-B-USB-Kabel an den PC anschließen, sich anmelden und dem PC die Erkennung des EK und das Herunterladen der relevanten Inhalte ermöglichen.

Der Entwickler kann einige grundlegende Einstellungen am System vornehmen, einschließlich der maximalen Systemleistung (von 30 bis 200 Watt) – eine Einstellung, die sicherstellt, dass die PD-„Verträge“ von den vier Ports in der Summe nicht die Gesamtleistung der Wechselstromversorgung überschreiten – sowie eine „zugesicherte Leistung“-Einstellung, bei der Port 1 immer eine zugewiesene Leistungsmenge hat und sich die anderen Ports die verbleibende Leistung teilen. Zudem gibt es eine Fehlerschutz-Einstellung, die die Temperaturschwelle festlegt, bei der ein Fehlerzustand angezeigt werden soll.

Anschließend kann der Entwickler mit einzelnen Anschlusseinstellungen experimentieren, darunter:

• Max. Port-Versorgung: Wenn diese Einstellung festgelegt ist, werden nur „Verträge“ angeboten, die dieses Limit nicht überschreiten
• Stromgrenze: von 0 bis 6 A
• Kabelkompensation: Zur Reduzierung des Spannungsabfalls am empfangenden Gerät bei höheren Strömen
• Angebotene Profile: Sobald ein Gerät angeschlossen wurde, wird eine Liste der Profile angezeigt, die dem Gerät angeboten wurde.

Anschließend kann der Entwickler auf einen Browser zugreifen, in dem die Gesamteingangsspannung und -leistung der USB-Anschlüsse sowie Informationen zur Performance der einzelnen Anschlüsse, einschließlich Profil (Volt), PD-Vertrag (Watt), Ausgangsspannung und -leistung, Temperatur und Effizienz, aufgeführt sind. Das EK kann an ein Oszilloskop angeschlossen werden, um detailliertere Performance-Daten wie V_BUS-Übergänge anzuzeigen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das USB-Typ-C-Evaluierungskit von ON Semiconductor kann zur eingehenden Analyse der Betriebseigenschaften des Chips an ein Oszilloskop angeschlossen werden. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Das EK von STMicroelectronics funktioniert ähnlich wie das EK von ON Semiconductor. Sobald es an eine Gleichstromquelle mit (mindestens) 22 Volt und ein Peripheriegerät mit einem USB-Typ-C-Anschluss angeschlossen wurde, lassen sich die Einstellungen des bordeigenen USB-PD-Controllers über eine I²C-Schnittstelle aus dem nicht flüchtigen Speicher auf einen PC auslesen. Über die PC-Schnittstelle kann der Entwickler dann bis zu fünf PD-Spannungs- und Stromausgänge, Spitzenströme sowie Unterspannungs- und Überspannungssperren konfigurieren. Sobald diese Profile auf dem PC eingerichtet sind, können sie in den Speicher des USB-PD-Controllers programmiert und zur Stromversorgung des angeschlossenen Peripheriegeräts verwendet werden.

Das EK von TI muss mit der USB-Typ-C-Enabler-Karte des Unternehmens zusammenarbeiten. Die Enabler-Karte wird mit einem Adapterkabel von USB-Typ-A zu USB-Typ-B und einem DisplayPort-Kabel an einen PC angeschlossen. Dann wird das EK mit einem USB-Typ-C-Kabel an die USB-Typ-C-Enabler-Karte angeschlossen. Der Entwickler kann dann direkt vom PC aus mit der Konfiguration des USB-3.0-Hubs, des TCPC und des USB-Typ-C-Controllers experimentieren.

Fazit

USB Typ-C und USB PD bieten Anwenderkomfort, höheren Datendurchsatz und verbesserte Stromversorgung, um angeschlossene Peripheriegeräte entweder mit Strom zu versorgen oder deren Batterien aufzuladen. Die Technologien sind jedoch auch komplexer und machen die Implementierung zu einer Herausforderung für Entwickler, die bisher nur mit USB-Typ-A-Systemen vertraut sind.

Wie geschildert, können Entwickler, die sich noch nicht mit USB Typ-C und USB PD auskennen, jetzt die Evaluierungskits von wichtigen USB-Chip-Anbietern nutzen, um über benutzerfreundliche Oberflächen in kontrollierter Umgebung mit den Technologien zu experimentieren. Zudem können die EKs als Referenzdesign für die Prototypen der Entwickler genutzt werden.