Utiliser des kits d'évaluation pour développer et tester des produits USB Type-C™ et USB PD dans un environnement contrôlé

Les dernières spécifications en matière de connecteur/câble USB, de distribution de puissance (PD) et de protocole (respectivement USB Type-C, USB PD 3.0 et USB 3.2) facilitent l'utilisation des connecteurs et optimisent le débit de données et les capacités de distribution de puissance de la technologie USB. Cependant, les concepteurs désireux d'exploiter ces nouvelles spécifications constatent que l'implémentation présente de nombreux défis. En particulier, la prise en charge de tensions et de courants plus élevés peut endommager les périphériques incompatibles et entraîner une surchauffe des câbles, des connecteurs et des ports.

Les développeurs qui ne connaissent pas bien les spécifications USB Type-C et USB PD ont besoin d'un moyen d'expérimenter ces nouvelles technologies dans un environnement contrôlé avec une interface logicielle appropriée. Les fournisseurs de solutions USB ont réagi en lançant des kits d'évaluation (EK) avec logiciels et cartes, contenant des alimentations, des connexions USB à un PC et la dernière génération de puces USB. Ces kits d'évaluation permettent aux développeurs d'acquérir de l'expérience dans la configuration USB Type-C et USB PD à l'aide d'une conception éprouvée avec une interface conviviale. Les kits d'évaluation peuvent également servir de conception de référence pour les prototypes des développeurs.

Cet article décrit les principaux attributs des dernières spécifications USB Type-C et certaines complexités liées à l'implémentation. Il présente ensuite des kits d'ON Semiconductor, de STMicroelectronics et de Texas Instruments, et explique leur utilité pour explorer en toute sécurité les capacités des nouvelles technologies USB. Les composants intégrés sur lesquels sont basés le kit d'évaluation et les cartes peuvent ensuite être intégrés dans de nouveaux produits afin de tirer parti de performances supérieures tout en économisant de l'espace et en réduisant le nombre de composants.

Pourquoi passer aux dernières spécifications USB ?

Les principales raisons qui motivent la mise à jour d'un produit vers les dernières spécifications USB sont les suivantes :

• Plus grande commodité : l'USB Type-C repose sur un connecteur mâle compact et réversible, plus facile à utiliser pour le grand public et mieux adapté au format de l'électronique grand public moderne.
• Débit plus élevé : la technologie USB 3.2 (lancée en 2017 et englobant désormais toutes les spécifications USB 3.x antérieures) offre des débits de données pouvant atteindre 20 gigabits par seconde (Gbit/s).
• Puissance supérieure : l'USB PD 3.0 offre jusqu'à 100 W (5 A x 20 V) pour une charge rapide des tablettes et des ordinateurs portables.

Le connecteur USB Type-C est obligatoire pour l'USB 3.2 Gén. 2x2 et les versions futures de la norme seront compatibles uniquement avec celui-ci (et non avec les connecteurs Type-A et Type-B). La spécification intègre un connecteur à 24 broches qui fournit quatre paires de mise à la terre à +5 V, deux paires différentielles pour le bus de données USB 2.0, quatre paires pour le bus de données SuperSpeed, deux broches « à bande latérale », une alimentation V_CONN +5 V pour câbles actifs et des broches de configuration de canal (CC) pour la détection de l'orientation du câble et la gestion des connexions. Notez que les broches utilisées dans une application spécifique varient en fonction du protocole de communication utilisé et des exigences en matière de distribution de puissance (Figure 1).

Figure 1 : Le connecteur USB Type-C à 24 broches est réversible, avec les broches CC utilisées pour la détection de l'orientation du câble et la gestion des connexions. (Source de l'image : Texas Instruments)

Un connecteur et un câble USB Type-C « complets » peuvent prendre en charge les débits de données USB les plus rapides. Par exemple, avec USB Type-C, un concepteur peut opter pour les protocoles USB 3.2 Gén. 1 (SuperSpeed 5 Gbit/s), USB 3.2 Gén. 2 (SuperSpeed 10 Gbit/s) ou USB 3.2 Gén. 2x2 (SuperSpeed 20 Gbit/s). Notez qu'il existe des combinaisons de câbles et de connecteurs USB Type-C « incomplètes » qui ne peuvent pas prendre en charge les fonctionnalités de la dernière spécification. La suite de cet article traite des conceptions utilisant uniquement du matériel USB Type-C complet.

L'USB Type-C permet également au concepteur de tirer parti des tensions et des courants USB PD les plus élevés disponibles avec les protocoles d'alimentation USB PD 2.0/3.0. Depuis l'USB PD 2.0, la spécification définit quatre niveaux de tension à 5, 9, 15 et 20 V. De plus, au lieu des six niveaux fixes de la norme USB PD d'origine, les alimentations peuvent prendre en charge toute puissance de sortie de source maximale comprise entre 0,5 W et 100 W. Les sources fournissant plus de 15 W offrent des tensions de 5 et 9 V, celles fournissant plus de 27 W offrent des tensions de 5, 9 et 15 V, et celles fournissant plus de 45 W offrent des tensions de 5, 9, 15 et 20 V. Ces différentes combinaisons de tension et de courant sont appelées « profils de puissance ».

Bien que ces niveaux de puissance flexibles présentent de nombreux avantages, ils ajoutent une certaine complexité et des défis de conception intéressants en raison des tensions et des courants plus élevés pris en charge par la technologie. Par exemple, l'USB PD nécessite un composant supplémentaire (un contrôleur de port) pour négocier et implémenter les profils de puissance USB PD. Les concepteurs habitués à la conception USB Type-A ne se rendent pas immédiatement compte de ces différences, ce qui augmente le risque de décisions de conception non optimales ou pouvant endommager le système.

Par exemple, un système USB Type-C avec USB PD peut se connecter à un port USB Type-A via un câble A-C. Le port USB Type-A V_BUS est maintenu à environ 5 V, mais le port USB Type-C avec USB PD peut fournir jusqu'à 20 V à 5 A. Le port présentant la tension V_BUS la plus élevée transfère du courant dans l'autre port, et de nombreux commutateurs de port USB Type-A ne disposent pas de protection contre les courants inverses et peuvent donc être endommagés par la tension plus élevée. (Pour plus d'informations sur la conception avec USB Type-C et USB PD, consultez l'article de DigiKey abordant l'intégration USB Type-C et l'utilisation de la distribution de puissance pour une charge rapide.)

Gestion de la complexité USB Type-C

La polyvalence offerte par l'USB Type-C et l'USB PD est possible grâce à des câbles, des ports et des paramètres d'alimentation configurables. Les connecteurs USB Type-C détectent et configurent électroniquement les connexions à l'aide de la configuration des canaux (CC). Les ports USB Type-C peuvent être des hôtes uniquement, des périphériques uniquement (fonctionnant comme des hôtes et des périphériques USB traditionnels) ou des ports à double rôle (DRP). L'hôte est alors le port orienté vers le bas (DFP) et le périphérique est le port orienté vers le haut (UFP).

Autres avantages de l'USB Type-C :

• Reconfigurabilité des ports à double rôle. Par exemple, un ordinateur portable peut fonctionner comme un port UFP lorsqu'il est chargé par un moniteur ou comme un port DFP lorsqu'il alimente un mini ventilateur.
• Possibilité de déterminer électroniquement si V_BUS utilise une alimentation standard USB Type-C ou USB PD, en configurant V_CONN si nécessaire.
• Prise en charge de modes alternatifs et accessoires en option.

Les contrôleurs de port interagissent avec les contrôleurs PD pour négocier les exigences en matière de puissance et de direction, de sorte que, par exemple, un dispositif équipé d'une batterie modeste (comme un smartphone) ne tente pas d'alimenter un dispositif ayant des exigences de puissance élevées (comme un ordinateur portable). Les contrôleurs de port incluent souvent un microcontrôleur embarqué qui élimine le besoin d'avoir un dispositif externe pour superviser les transactions d'alimentation.

Pour aider à gérer la complexité et assurer une conception réussie, les fournisseurs de puces USB ont lancé des kits d'évaluation permettant au concepteur d'expérimenter des circuits optimisés et protégés afin d'évaluer les configurations USB Type-C et USB PD adaptées à l'application. Par exemple, le STR-USBC-4PORT-200W-EVK d'ON Semiconductor est un kit d'évaluation USB Type-C de 200 W à quatre ports. Ce kit permet aux développeurs d'explorer les capacités de l'USB PD 3.0 à des sorties de tension de 5, 9, 15 et 20 V et des courants pouvant atteindre 5 A, pour une puissance de sortie maximale par port de 100 W. En raison des limites de l'alimentation, le kit d'évaluation est limité à une puissance de sortie maximale totale de 200 W pour ses quatre ports.

Le STR-USBC-4PORT-200W-EVK comprend un contrôleur de port USB PD, un commutateur de protection haute tension et un contrôleur d'alimentation abaisseur. Il est équipé d'une alimentation CA/CC avec entrée de 90 V à 265 V. La protection thermique et contre les surintensités est intégrée. Le kit d'évaluation est fourni avec le logiciel Strata d'ON Semiconductor, qui inclut des outils de configuration permettant de tester les profils de puissance, d'expérimenter diverses fonctionnalités en cas de défaillance et de repli, et de surveiller la télémétrie du système tout en alimentant des dispositifs connectés avec des charges variables (Figure 2).

Figure 2 : Le kit d'évaluation USB Type-C d'ON Semiconductor est doté d'un circuit d'entrée CA/CC de 200 W et d'une sortie USB PD à quatre ports. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le contrôleur de port du kit d'évaluation est le FUSB307B d'ON Semiconductor, conçu pour implémenter un contrôleur de port USB Type-C (TCPC) doté de capacités USB PD. Conforme à la spécification d'interface USB PD, la puce offre un contrôleur TCPC avec une interface standardisée pour un gestionnaire de port USB Type-C (TCPM) et intègre un circuit de détection USB Type-C permettant de détecter les connexions/déconnexions manuelles. La fonctionnalité PD de la puce, critique sur le plan temporel, est gérée de manière autonome, ce qui évite d'avoir à utiliser un microcontrôleur système ou un gestionnaire TCPM.

Pour sa part, STMicroelectronics propose le kit d'évaluation USB PD STEVAL-ISC004V1. Ce kit d'évaluation est une source USB PD prête à l'emploi, basée sur le contrôleur USB PD STUSB4710A de la société, qui explique comment convertir une entrée d'alimentation CC à tension fixe en une sortie de tension variable USB PD. Le contrôleur USB PD communique via la configuration de canal USB Type-C afin de négocier une quantité donnée de puissance pour un dispositif connecté, et peut gérer toute connexion à un port DFP ou UFP sans microcontrôleur.

Texas Instruments (TI) propose également un kit d'évaluation d'interface de station d'accueil USB Type-C, l'USB-CTM-MINIDK-EVM (Figure 3). Ce kit d'évaluation est une solution de référence pour station d'accueil USB Type-C, avec fonctionnalités USB PD, audio, données USB, alimentation et vidéo. Le kit d'évaluation prend en charge les capacités d'alimentation en tant que source et en tant que système de réception via le port PD USB Type-C principal. Lorsqu'elle est alimentée par un chargeur USB Type-C externe, la station d'accueil peut fournir une tension de 5 V à 3 A ou de 12 à 20 V à 5 A.

Le kit d'évaluation intègre les composants suivants :

• TUSB8041 : un contrôleur de concentrateur USB 3.0 à quatre ports pouvant fournir des débits allant jusqu'à SuperSpeed USB via des ports DFP et UFP.
• TUSB321 : un contrôleur TCPC pour déterminer la connexion et la déconnexion au port, l'orientation du câble et le rôle. La puce peut être configurée en tant que port DFP, UFP ou DRP.
• TPS65982 : un contrôleur USB Type-C pour la négociation USB PD et l'activation du schéma de puissance.

Figure 3 : Le kit d'évaluation d'interface USB Type-C USB-CTM-MINIDK-EVM de TI est une solution de référence pour station d'accueil USB Type-C, avec fonctionnalités de données USB, USB PD, audio et vidéo. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les kits d'évaluation d'ON Semiconductor, de TI et de STMicroelectronics accompagnent un ingénieur tout au long du processus de paramétrage et de configuration d'une conception USB Type-C avec USB PD.

Le développement sur le kit d'évaluation d'ON Semiconductor est réalisé par l'intermédiaire de la plateforme Strata Developer Studio de la société. Pour commencer, les développeurs doivent appliquer une tension CA au kit d'évaluation, le raccorder au PC via le câble USB Mini-B, se connecter, puis permettre au PC de détecter le kit et de télécharger le contenu correspondant.

Le développeur peut définir certains paramètres de base du système, notamment la puissance système maximale (de 30 W à 200 W), un paramètre garantissant que le total des « contrats » PD des quatre ports ne dépasse pas la puissance totale de l'alimentation CA et un paramètre de « puissance garantie » grâce auquel le port 1 a toujours une certaine quantité de puissance qui lui est allouée et les autres ports se partagent la puissance restante. Il existe également un paramètre de protection contre les défaillances qui détermine le seuil de température auquel une défaillance doit être indiquée.

Le développeur peut ensuite tester différents paramètres pour chaque port, notamment :

• Alimentation de port max. : une fois ce paramètre défini, aucun contrat ne peut dépasser la limite
• Limite de courant : de 0 A à 6 A
• Compensation de câble : pour réduire la chute de tension au niveau du dispositif récepteur lors de la génération de courants plus élevés
• Profils disponibles : une fois qu'un dispositif est branché, une liste des profils proposés au dispositif récepteur s'affiche

Le développeur peut ensuite accéder à un navigateur qui détaille la tension d'entrée totale et la puissance au niveau des ports USB, et fournit des informations sur les performances de chaque port, notamment le profil (en volts), le contrat PD (en watts), la tension et la puissance de sortie, la température et le rendement. Le kit d'évaluation peut se connecter à un oscilloscope pour afficher des informations plus détaillées sur les performances, comme les transitions V_BUS (Figure 4).

Figure 4 : Le kit d'évaluation USB Type-C d'ON Semiconductor peut être connecté à un oscilloscope pour une analyse détaillée des caractéristiques de fonctionnement de la puce. (Source de l'image : ON Semiconductor)

Le kit d'évaluation de STMicroelectronics fonctionne de la même manière que celui d'ON Semiconductor. Une fois le kit connecté à une source CC de 22 V (minimum) et à un périphérique doté d'un connecteur USB Type-C, les paramètres du contrôleur USB PD intégré au kit peuvent être lus sur un PC à partir d'une mémoire non volatile via une interface I²C. L'interface PC permet ensuite au développeur de reconfigurer jusqu'à cinq sorties de tension et de courant PD, des courants de crête et des verrouillages en cas de sous-tension et de surtension. Une fois ces profils configurés sur le PC, ils peuvent être programmés dans la mémoire du contrôleur USB PD et utilisés pour alimenter le périphérique connecté.

Le kit d'évaluation de TI doit être associé à la carte d'activation USB Type-C de la société. La carte d'activation est connectée à un PC à l'aide d'un câble USB Type-A vers USB Type-B et un câble DisplayPort. Le kit d'évaluation est ensuite connecté à la carte d'activation USB Type-C à l'aide d'un câble USB Type-C. Le développeur peut alors tester la configuration du concentrateur USB 3.0, du contrôleur TCPC et du contrôleur USB Type-C directement sur le PC.

Conclusion

Les spécifications USB Type-C et USB PD apportent au grand public une plus grande commodité, un débit plus élevé et une meilleure distribution de puissance pour alimenter des périphériques connectés ou recharger leur batterie. Cependant, ces technologies apportent également une complexité accrue, ce qui rend l'implémentation difficile pour les développeurs qui ne connaissent que les systèmes USB Type-A.

Comme nous l'avons vu, les développeurs peu familiarisés avec USB Type-C et USB PD peuvent désormais tirer parti des kits d'évaluation des principaux fournisseurs de solutions USB, qui permettent de tester ces technologies de manière contrôlée via des interfaces utilisateur conviviales. Les kits d'évaluation peuvent également servir de conception de référence pour les prototypes des développeurs.