Usare kit di valutazione per sviluppare e testare prodotti USB Type-C™ e USB PD in un ambiente controllato

Le ultime specifiche per connettori/cavi USB, distribuzione dell'energia elettrica (PD) e protocolli (rispettivamente USB Type-C, USB PD 3.0 e USB 3.2) semplificano l'uso dei connettori e incrementano il throughput dei dati tramite USB oltre alle capacità di alimentazione. Tuttavia, i progettisti che desiderano sfruttare le nuove specifiche stanno scoprendo che l'implementazione presenta molte sfide. In particolare, la gestione di una maggiore tensione e corrente può causare danni alle periferiche incompatibili e surriscaldare cavi, connettori e porte.

Gli sviluppatori poco esperti di USB Type-C e USB PD devono poter sperimentare le nuove tecnologie in un ambiente controllato con un'interfaccia software appropriata. I fornitori di chip USB hanno risposto lanciando kit di valutazione (EK) con software e schede che includono alimentazione, connessioni USB a un PC e l'ultima generazione di chip USB. Questi kit permettono agli sviluppatori di prendere dimestichezza con la configurazione di USB Type-C e USB PD utilizzando un progetto collaudato con un'interfaccia intuitiva. I kit di valutazione possono essere utilizzati anche come progetto di riferimento per i prototipi.

Questo articolo illustra gli attributi chiave delle ultime specifiche USB Type-C e descrive alcune complessità dell'implementazione. Presenta quindi i kit di ON Semiconductor, STMicroelectronics e Texas Instruments e mostra come utilizzarli per esplorare in modo sicuro le capacità delle nuove tecnologie USB. I componenti integrati su cui si basano il kit di valutazione e le schede possono essere inseriti in nuovi prodotti per sfruttare le maggiori prestazioni, risparmiando spazio e riducendo il numero di componenti.

Perché effettuare l'aggiornamento alle ultime specifiche USB?

Le ragioni principali per aggiornare un prodotto alle ultime specifiche USB sono:

• Maggiore comodità: USB Type-C è basato su un connettore maschio reversibile e compatto che è più semplice da usare da parte dei consumatori e che si adatta meglio al fattore di forma dei moderni prodotti elettronici consumer.
• Maggiore throughput: USB 3.2 (introdotto nel 2017 che ora assorbe tutte le specifiche precedenti a USB 3.x) offre velocità di trasmissione dati fino a 20 Gbit/s.
• Maggiore potenza: USB PD 3.0 offre fino a 100 W (5 A x 20 V) per la ricarica rapida di tablet e computer portatili.

Il connettore USB Type-C è obbligatorio per USB 3.2 Gen 2x2 e le future versioni dello standard saranno compatibili solo con questo tipo (e non con i connettori Type-A e Type-B). La specifica riguarda anche un connettore a 24 pin che offre quattro coppie di terra a +5 V, due coppie differenziali per il bus dati USB 2.0, quattro coppie per il bus dati SuperSpeed, due pin per "uso in banda laterale", alimentazione V_CONN +5 V per i cavi attivi e pin di configurazione dei canali (CC) per il rilevamento dell'orientamento dei cavi e la gestione delle connessioni. Tenere presente che i pin utilizzati in una specifica applicazione variano a seconda del protocollo di comunicazione scelto e dei requisiti di alimentazione (Figura 1).

Figura 1: Il connettore a 24 pin USB Type-C è reversibile e i pin CC sono usati per rilevare l'orientamento dei cavi e gestire le connessioni. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Un connettore USB Type-C e il suo cavo dotati di tutte le funzionalità sono in grado di sostenere le massime velocità di trasferimento dati tramite USB. Ad esempio, con USB Type-C un progettista potrebbe scegliere i protocolli USB 3.2 Gen 1 (SuperSpeed 5 Gbit/s), USB 3.2 Gen 2 (SuperSpeed 10 Gbit/s) o USB 3.2 Gen 2x2 (SuperSpeed 20 Gbit/s). Tenere presente che esistono anche combinazioni di cavo e connettore USB Type-C "non dotate di tutte le funzionalità" e che non possono supportare le caratteristiche della specifica più recente. Il resto di questo articolo è dedicato ai progetti che si servono solo di hardware USB Type-C dotato di tutte le funzionalità.

USB Type-C permette inoltre al progettista di sfruttare le più alte tensioni e correnti di USB PD disponibili nei protocolli di alimentazione USB PD 2.0/3.0. Da USB PD 2.0, la specifica definisce quattro livelli di tensione: 5, 9, 15 e 20 V. Oltre a ciò, invece dei sei livelli fissi dello standard USB PD originale, l'alimentazione può supportare qualsiasi potenza massima in uscita dalla sorgente tra 0,5 e 100 W. Le sorgenti che forniscono più di 15 W offrono tensioni di 5 e 9 V, quelle che forniscono più di 27 W offrono 5, 9 e 15 V, e quelle che forniscono più di 45 W offrono 5, 9, 15 e 20 V. Queste varie combinazioni di tensione e corrente sono dette "Profili di potenza".

I livelli di potenza flessibili hanno molti vantaggi, ma aumentano la complessità e implicano alcune interessanti sfide di progettazione a causa delle tensioni e correnti più elevate supportate dalla tecnologia. Ad esempio, USB PD richiede un altro componente, un controller della porta, per negoziare e implementare i profili di potenza di USB PD. I progettisti abituati a USB Type-A avranno inizialmente delle difficoltà a capire queste differenze, il che aumenta il rischio di decisioni di progettazione non ottimali o potenzialmente dannose.

Ad esempio, un sistema USB Type-C con USB PD può collegarsi a una porta USB Type-A tramite un cavo da A a C; il V_BUS della porta USB Type-A viene mantenuto a circa 5 V ma la porta USB Type-C con USB PD può alimentare fino a 20 V a 5 A. La porta con la tensione V_BUS più alta invia la corrente all'altra porta e molti commutatori di potenza di porte USB Type-A sono privi di protezione da inversione di corrente per cui possono venire danneggiati dalla maggiore tensione. (Per maggiori informazioni sulla progettazione di USB Type-C e USB PD, vedere l'articolo di DigiKey "Progettare USB Type-C e usare Power Delivery per una ricarica rapida".)

Gestire la complessità di USB Type-C

La versatilità offerta da USB Type-C e USB PD è il frutto di cavi configurabili, porte e impostazioni della potenza. I connettori USB Type-C rilevano e configurano elettronicamente le connessioni tramite CC. Le porte USB Type-C possono essere di tipo solo host, solo dispositivo (ricoprendo i ruoli tradizionali di host e dispositivo USB) oppure possono avere un doppio ruolo (DRP) in cui l'host è la porta rivolta in basso (DFP) e il dispositivo quella rivolta in alto (UFP).

USB Type-C offre anche altri vantaggi, fra cui:

• La riconfigurabilità delle porte con un doppio ruolo. Ad esempio, un computer portatile potrebbe funzionare come UFP quando viene caricato da un monitor o come DFP quando alimenta una mini ventola.
• La capacità di determinare elettronicamente se V_BUS sta usando l'alimentazione standard USB Type-C o USB PD richiede la configurazione di V_CONN.
• Supporto di modalità alternative e accessorie ottimali.

I controller delle porte lavorano con quelli PD per negoziare i requisiti di alimentazione e la direzione in modo che, ad esempio, un dispositivo con una batteria modesta come uno smartphone non cerchi di alimentare un dispositivo con requisiti di alimentazione elevati come un computer portatile. I controller delle porte spesso includono un microcontroller integrato che elimina la necessità di un dispositivo esterno per controllare le transazioni di alimentazione.

Per aiutare a gestire la complessità e garantire una progettazione di successo, i fornitori di chip USB hanno prodotto dei kit di valutazione che consentono al progettista di fare esperimenti con circuiti ottimizzati e protetti per valutare le configurazioni di USB Type-C e USB PD più idonee per l'applicazione. Ne è un esempio STR-USBC-4PORT-200W-EVK di ON Semiconductor, un kit di valutazione da 200 W e quattro porte USB Type-C. Questo kit permette allo sviluppatore di esplorare le capacità di USB PD 3.0 a uscite di tensione di 5, 9, 15 e 20 V e correnti fino a 5 A, per una potenza di uscita massima per porta di 100 W. Date le limitazioni dell'alimentazione elettrica, il kit di valutazione è limitato a una potenza di uscita massima totale di 200 W sulle sue quattro porte.

STR-USBC-4PORT-200w-EVK comprende un controller della porta USB PD, un interruttore di protezione da alta tensione e un controller di alimentazione step-down (buck). È dotato di un alimentatore c.a./c.c. da 90 a 265 V. La protezione termica e da sovracorrente è integrata. Il kit di valutazione viene fornito con il software Strata di ON Semiconductor, che include strumenti di configurazione per testare i profili di alimentazione, mettere alla prova varie funzioni di guasto e foldback e monitorare la telemetria del sistema fornendo ai dispositivi collegati carichi di carica variabili (Figura 2).

Figura 2: Il kit di valutazione USB Type-C di ON Semiconductor comprende un front-end c.a./c.c. da 200 W e un'uscita USB PD a quattro porte. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Il controller della porta del kit di valutazione è FUSB307B di ON Semiconductor, studiato per implementare un controller della porta USB Type-C (TCPC) con capacità USB PD. Il chip è conforme alla specifica dell'interfaccia USB PD come TCPC con un'interfaccia standardizzata per un USB Type-C Port Manager (TCPM) e incorpora un circuito di rilevamento USB Type-C che consente il rilevamento di collegamento/scollegamento manuale. La funzionalità PD time-critical del chip è gestita in modo autonomo, il che evita di dover utilizzare un microcontroller di sistema o TCPM.

Da parte sua, STMicroelectronics offre il kit di valutazione USB PD STEVAL-ISC004V1. Il kit di valutazione è una sorgente USB PD pronta per l'uso, basata sul controller USB PDSTUSB4710A dell'azienda, che mostra come convertire un ingresso di alimentazione c.c. a tensione fissa in un'uscita a tensione variabile USB PD. Il controller USB PD comunica tramite USB Type-C CC per negoziare una determinata quantità di potenza a un dispositivo collegato e può gestire qualsiasi connessione con un DFP o un UFP senza il supporto di un microcontroller.

Texas Instruments (TI) offre anche USB-CTM-MINIDK-EVM, un kit di valutazione dell'interfaccia della docking station USB Type-C (Figura 3). Il kit di valutazione è una soluzione di riferimento per un dock USB Type-C e comprende USB PD, audio, dati USB, alimentazione e video. Supporta capacità di alimentazione sia source che drain sulla porta primaria di USB Type-C PD. Quando è alimentato da un caricatore esterno USB Type-C, il dock può alimentare 5 V a 3 A o da 12 a 20 V a 5 A.

Il kit di valutazione comprende:

• TUSB8041: un controller hub USB 3.0 a quattro porte che può gestire fino a SuperSpeed USB tramite sia DFP che UFP.
• TUSB321: un TCPC per determinare il collegamento e scollegamento delle porte, l'orientamento del cavo e il rilevamento del ruolo. Il chip può essere configurato come DFP, UFP o DRP.
• TPS65982: un controller USB Type-C per la negoziazione USB PD e per rendere possibile il percorso di alimentazione.

Figura 3: Il kit di valutazione USB-CTM-MINIDK-EVM dell'interfaccia USB Type-C di TI è una soluzione di riferimento per un dock USB Type-C che comprende dati USB, USB PD, audio e video. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

I kit di valutazione di ON Semiconductor, TI e STMicroelectronics guidano un ingegnere nel processo di impostazione e configurazione di un progetto USB Type-C con USB PD.

Lo sviluppo sul kit di valutazione di ON Semiconductor viene condotto tramite Strata Developer Studio dell'azienda. Prima di tutto, gli sviluppatori devono applicare una tensione c.a. al kit di valutazione, collegarlo al PC tramite il cavo USB Mini-B, effettuare il login e consentire al PC di rilevare il kit e scaricare il relativo contenuto.

Lo sviluppatore può effettuare alcune impostazioni di base del sistema, fra cui la sua potenza massima (da 30 a 200 W), un'impostazione che garantisce che il totale dei "contratti" del PD dalle quattro porte non superi la potenza totale dell'alimentazione in c.a., e un'impostazione della "potenza garantita" in cui alla porta 1 viene sempre allocata una determinata quantità di potenza e le altre condividono fra loro quella rimasta. Esiste anche un'impostazione di protezione dai guasti che determina la soglia di temperatura a cui deve essere segnalata una condizione di guasto.

Lo sviluppatore può poi sperimentare le impostazioni delle singole porte, tra cui:

• Potenza massima della porta: una volta impostata, non verrà offerto nessun contratto che superi il limite
• Limite di corrente: da 0 a 6 A
• Compensazione del cavo: per ridurre la caduta di tensione sul dispositivo sink quando vengono alimentate correnti più elevate
• Profili pubblicati: una volta che un dispositivo è inserito, viene visualizzato un elenco di profili offerti al dispositivo sink

Lo sviluppatore può quindi accedere a un browser che mostra i dettagli della tensione totale in ingresso e della potenza alle porte USB, oltre alle informazioni sulle prestazioni di ciascuna porta, inclusi il profilo (V), il contratto PD (W), la tensione e la potenza in uscita, la temperatura e l'efficienza. Il kit di valutazione può collegarsi a un oscilloscopio per mostrare informazioni più dettagliate sulle prestazioni, ad esempio le transizioni V_BUS (Figura 4).

Figura 4: Il kit di valutazione USB Type-C di ON Semiconductor può essere collegato a un oscilloscopio per avere un'analisi dettagliata delle caratteristiche operative del chip. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Il kit di valutazione di STMicroelectronics funziona in modo simile a quello di ON Semiconductor. Una volta collegato a una sorgente c.c. di 22 V (min) e a una periferica con un connettore USB Type-C, le impostazioni del controller USB PD integrato del kit di valutazione possono essere lette dalla memoria non volatile tramite un'interfaccia I²C con un PC. L'interfaccia PC consente quindi allo sviluppatore di riconfigurare fino a cinque uscite in tensione e corrente PD, correnti di picco e blocchi di sottotensione e sovratensione. Dopo aver impostato questi profili nel PC li si può programmare nella memoria del controller USB PD e usare per alimentare la periferica collegata.

Il kit di valutazione di TI deve interagire con la scheda di abilitazione USB Type-C dell'azienda. La scheda di abilitazione è collegata a un PC mediante un cavo tra USB Type-A e USB Type-B e un cavo DisplayPort. Il kit di valutazione viene quindi collegato alla scheda di abilitazione USB Type-C con un cavo USB Type-C. Lo sviluppatore a questo punto può sperimentare la configurazione dell'hub USB 3.0, il controller TCPC e USB Type-C direttamente dal PC.

Conclusione

USB Type-C e USB PD offrono al consumatore comodità, un maggiore throughput e una maggiore potenza per alimentare o ricaricare le batterie delle periferiche collegate. Queste tecnologie portano però anche una maggiore complessità che mette alla prova gli sviluppatori esperti solo di sistemi USB Type-A.

Come è stato illustrato, quelli che non hanno familiarità con USB Type-C e USB PD ora possono avvalersi dei kit di valutazione dei principali fornitori di schede USB per sperimentare le tecnologie in modo controllato tramite interfacce utente di facile utilizzo. I kit di valutazione possono essere utilizzati anche come progetto di riferimento per i prototipi degli sviluppatori.