Cómo elevar rápidamente a 100 W la transferencia de potencia de dispositivos USB-C con una programación mínima

A medida que se generalizan los puertos USB Type-C (USB-C), muchos usuarios confían en ellos para suministrar niveles cada vez más altos de energía eléctrica a una amplia variedad de dispositivos conectados. Sin embargo, la especificación USB-C limita la fuente de alimentación base de un dispositivo "solo Type-C" a un máximo de 15 Vatios (5 voltios, 3 amperios (A)).

Para superar esta limitación, los diseñadores pueden añadir USB Power Delivery (PD) y crear un dispositivo PD Type-C capaz de suministrar hasta 100 Vatios (20 voltios, 5 A) en el rango de potencia estándar (SPR). Ahora, en lugar de tener que programar minuciosamente el completo protocolo USB PD, los desarrolladores pueden configurar fácilmente un controlador PD estándar y añadir funciones PD personalizadas y optimizadas a cargadores de CA/CC y puertos USB controlados por corriente.

Este artículo ofrece una visión general de los requisitos básicos de los sistemas de PD. A continuación, presenta el controlador FUSB15101MNTWG PD de onsemi y muestra cómo empezar a configurar rápidamente el firmware del controlador preprogramado utilizando placas de evaluación, software de desarrollo, adaptadores de programación/depuración y un analizador de protocolos de PD.

Convertidor con regulación de potencia controlada por protocolo

Hubo un tiempo en que los cargadores analógicos de pared para dispositivos alimentados por pilas constaban de sólo dos componentes: un transformador y un rectificador. En la actualidad, la necesidad de una mayor eficiencia, flexibilidad y miniaturización se han combinado para hacer de la alimentación de dispositivos electrónicos, incluso los más sencillos, una tarea compleja. Los actuales convertidores conmutados basados en microcontroladores deben ahora negociar dinámicamente su potencia de salida con las cargas inteligentes conectadas a través de un complejo protocolo.

USB PD es uno de estos protocolos. En la versión 3.1, coordina hasta 240 vatios de potencia de línea eléctrica a través de un cable de conexión inteligente USB Type-C Electronically Marked Cable Assembly (EMCA), al tiempo que mantiene la compatibilidad con estándares USB más antiguos. Sin embargo, el control de la transmisión dinámica de potencia de DP a través del conector USB-C de 24 pines va mucho más allá de los voltajes de control estáticos en las líneas de datos de la interfaz USB clásica de cuatro cables.

Un dispositivo USB PD puede funcionar como fuente de alimentación de un puerto descendente (DFP), como consumidor (o "disipador") de energía de un puerto ascendente (UFP) o en modo de puerto de doble función (DRP). Un dispositivo fuente de DP conecta internamente resistencias pull-up a dos líneas de control (CC1 y CC2); un dispositivo disipador de DP se identifica mediante resistencias pull-down internas.

Las dos líneas CC se utilizan simultáneamente para transmitir mensajes PD de hasta 356 bits de longitud a una velocidad de reloj de 300 kilohercios (kHz) (Figura 1). Los mensajes de control cortos coordinan el flujo de mensajes entre dos puertos asociados, mientras que los mensajes de datos más largos se utilizan para negociar la alimentación y controlar el autodiagnóstico integrado (BIST) o transmitir contenido específico del OEM.

Figura 1: La estructura del mensaje PD puede llegar dinámicamente hasta los 356 bits de longitud. (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor, vía embedded.com)

Negociación de potencia entre dispositivos PD

El USB PD 3.0 SPR define varios niveles de voltaje fijos entre 5 y 20 voltios y sólo admite perfiles de potencia estáticos de hasta 100 vatios. Utilizando la extensión de fuente de alimentación programable (PPS), un dispositivo disipador USB puede solicitar en tiempo real un voltaje de la fuente de alimentación USB de entre 3 y 21 voltios en incrementos de 20 milivoltios (mV), según sus necesidades.

De este modo, el PPS simplifica la electrónica del convertidor de conmutación en el dispositivo móvil, reduce la disipación de calor y acelera la carga optimizando la adaptación de potencia. USB PD 3.1 define un rango de potencia ampliado (EPR) hasta un máximo de 240 vatios y utiliza una fuente de voltaje ajustable (AVS) para regular el voltaje de bus en un rango superior entre 15 y 48 voltios.

Dado que 3 A ya superan la capacidad de transporte de corriente de los cables USB ordinarios, el USB Implementers Forum (USB-IF) estipula que se utilicen cables EMCA especiales. Presentan secciones transversales más gruesas y aislamiento de los cables. Los chips E-Marker de las clavijas de conexión de los cables confirman estas características reforzadas de los cables mediante el protocolo PD. Al hacerlo, influyen en la negociación de potencia entre el dispositivo fuente y el disipador.

La comunicación PD utiliza códigos K especiales para delimitar los mensajes. La secuencia especial de código K que indica el inicio de una secuencia se denomina inicio de paquete (SOP). Se definen tres secuencias: SOP, SOP', y SOP'', para que un DFP (una fuente de energía como un adaptador de carga de red PD) pueda comunicarse como iniciador con cualquiera de los dos chips E-Marker en los conectores de cable EMCA, así como con el UFP (disipador de energía USB).

El diagrama de flujo de la Figura 2 muestra el intercambio de mensajes durante una negociación de potencia satisfactoria entre dos dispositivos de DP conectados mediante un cable EMCA.

Figura 2: Se muestra la exitosa negociación de alimentación entre dos dispositivos USB PD a través de un cable EMCA. Nota: Rqt = Request; Ack = Acknowledge. (Fuente de la imagen: Cypress Semiconductor, vía embedded.com)

Configurar en lugar de programar

La complejidad del protocolo PD se traduce en un laborioso ejercicio de programación para el desarrollador. Un método más rápido es configurar un controlador USB PD preprogramado con funciones personalizadas. Un ejemplo de controlador es el FUSB15101MNTWG de onsemi. Se trata de un controlador USB PD 3.1 altamente integrado que puede controlar el regulador de conmutación del lado primario de un Adaptador CA/CC mediante un optoacoplador, o controlar directamente un regulador de corriente de puerto CC/CC.

Esta solución "todo en uno" minimiza la complejidad del circuito mediante periféricos de hardware optimizados, incluidos convertidores de analógico a digital y de digital a analógico, sensores de temperatura NTC y controladores de compuerta NMOS. El firmware de código abierto con una interfaz de programación de aplicaciones (API) y el entorno completo de desarrollo integrado (IDE) basado en Eclipse facilitan la programación.

El FUSB15101 integra un procesador Arm® Cortex® M0+ de alta eficiencia con una interfaz UART y es compatible con la especificación PPS, regulando el voltaje de salida de 3.3 a 21 voltios. Ofrece regulación programable de voltaje constante (CV) y corriente constante (CC) y compensa las pérdidas de los cables. También dispone de funciones de protección contra sobretensión, subtensión, sobrecorriente y sobretemperatura, así como diodos de protección contra sobretensión en los pines/clavijas del conector USB-C. El controlador PD admite alimentación V_CONN para los chips E-Marker de los cables EMCA, mientras que sus modos de reposo y espera cumplen los requisitos del Certificado de Conformidad (CoC) y el Diseño de Experimentos (DOE).

Las aplicaciones típicas son:

• Adaptador CA/CC compatible con USB PD (véase la Aplicación 1)
• Puertos CC/CC compatibles con USB PD (véase la Aplicación 2)

Aplicación 1: fuente de alimentación conmutada CA/CC con salida USB PD

En esta aplicación, el controlador USB FUSB15101 PD controla el regulador de conmutación flyback cuasirresonante (QR) NCP1345Q02D1R2G en el lado primario de una fuente de alimentación conmutada de CA/CC mediante un optoacoplador. El NCP1345 funciona con entre 9 y 38 voltios procedentes de un devanado auxiliar del transformador, mientras que utiliza un segundo devanado auxiliar para generar un voltaje cuatro veces superior con el fin de proporcionar suficiente voltaje de conmutación para un MOSFET a voltajes de salida USB bajos de 3.3 voltios. En el secundario, el controlador NCP4307AASNT1G controla la rectificación sincrónica. La combinación de los tres CI da como resultado una fuente de alimentación con cambio de marcha que alcanza sistemáticamente una eficiencia en torno al 90% en los distintos perfiles de potencia de descarga parcial.

La figura 3 muestra el diagrama del circuito principal de un cargador de red USB-C PD 3.0 PPS basado en los tres CI que suministran 65 vatios (20 voltios/3.25 A).

Figura 3: En esta solución para cargadores de pared USB PD, el FUSB15101 controla el regulador de conmutación flyback NCP1345 QR en el lado primario de la fuente de alimentación conmutada CA/CC mediante un optoacoplador. (Fuente de la imagen: onsemi)

Los programadores inician su propia aplicación de fuente de alimentación USB PD utilizando la placa de evaluación NCP1342PD65WGEVB de onsemi, que se muestra en la Figura 4.

Figura 4: Con la placa de evaluación del cargador de pared USB-C PD 3.0 NCP1342PD65WGEVB, los programadores pueden empezar a trabajar de inmediato. (Fuente de la imagen: onsemi)

El obturador de almacenamiento de esta placa, en forma de transformador RM8 compacto, proporciona 60 vatios (20 voltios/3 A) de potencia de salida. El regulador de conmutación flyback cuasirresonante NCP1342BMDCDD1R2G funciona con 9 a 28 voltios de un solo devanado auxiliar. Adecuado para el desarrollo de convertidores de potencia offline de alto rendimiento y adaptadores USB PD, cuenta con un rápido retorno de frecuencia (RFF) para mejorar la eficiencia en todo el rango de carga. Un condensador de descarga X2 activo integrado elimina la necesidad de resistencias de descarga y permite un consumo de energía inferior a 40 milivatios (mW) en vacío.

Aplicación 2: controlador de corriente CC/CC para un puerto USB PD

En esta aplicación, el controlador USB PD FUSB15101 acciona el controlador NCV81599MWTXG de convertidor CC/CC de cuatro etapas elevador/reductor, step-up/down. Esto permite ampliar un puerto USB-C que de otro modo estaría limitado a 15 vatios a una fuente de alimentación PD que proporciona más de 60 vatios y se alimenta de la fuente de alimentación CC interna del dispositivo o de una batería (Figura 5).

Figura 5: En esta aplicación de controlador de corriente de puerto CC/CC, el FUSB15101 controla directamente el controlador del convertidor CC/CC de cuatro etapas NCV81599. (Fuente de la imagen: onsemi)

Los desarrolladores pueden ahorrar tiempo y empezar a probar y programar inmediatamente con el NCV81599 utilizando la placa de evaluación FUSB3307MPX-PPS-GEVB. Este circuito regulador de corriente CC/CC convierte un puerto USB en una fuente de corriente PD 3.0 PPS, que suministra hasta 5 A a voltajes de bus de 3.3 a 21 voltios (Figura 6). El circuito es capaz de detectar cables E-Marker y puede funcionar de forma autónoma o conectado a un equipo de prueba.

Figura 6: La FUSB3307MPX-PPS-GEVB es una placa de evaluación para el NCV81599 que convierte los puertos USB en una fuente de alimentación PD 3.0 PPS. (Fuente de la imagen: onsemi)

Una fuente de alimentación de CC o una batería alimenta la entrada V_BAT de la placa FUSB3307 con 4.5 a 32 voltios. El circuito se encarga de la regulación de tensión constante (CV) o corriente constante (CC) y dispone de protección contra sobretensión, subtensión, cortocircuito, sobretemperatura y fallo del cable.

Programación del FUSB15101

El firmware FUSB15010 es un controlador de PD de tipo C altamente optimizado compatible con el procesadorARM Cortex-M0+ integrado. El firmware tiene la flexibilidad necesaria para gestionar nuevos mensajes PD, así como flujos de estado Type-C adicionales. El código está organizado de forma modular, separando el código fuente de la aplicación, la capa de abstracción de hardware, el código dependiente de la plataforma y las funciones centrales de la USB Type-C PD.

Las funciones del núcleo de PD se pueden configurar mediante las opciones de compilación del proyecto o modificando el archivo de información del proveedor "vif_info.h". La base de código incluye un proyecto de muestra de Eclipse que puede compilarse utilizando el entorno de desarrollo integrado (IDE), lo que permite una puesta en marcha más rápida para evaluar el controlador autónomo Type-C PD.

La tabla 1 resume los perfiles PD compatibles con el FUSB15101; PDO es el objeto de suministro de energía.

Tabla 1: Se muestran los perfiles de DP compatibles con el FUSB15101. (Fuente de la tabla: onsemi)

Como ya se ha mencionado, los parámetros de un perfil de carga pueden modificarse muy fácilmente en el archivo "vif_info.h". El siguiente código muestra cómo cambiar la corriente máxima en PDO 4 de 20 voltios/3 A a 20 voltios/3.25 A:

Valores PDO actuales:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3.00 A

Nuevos valores PDO:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3.25 A

Encontrará más detalles e instrucciones para instalar el entorno completo de desarrollo integrado (IDE), así como para importar el firmware y compilar el archivo binario, en la guía FUSB15101EVBSPG.

La instalación de las herramientas de programación y el procedimiento del flasheo único se describen en el manual del usuario del UM70086-D. Un Adaptador de programación y depuración Arm Cortex-M adecuado para facilitar el desarrollo es el 8.08.91 J-LINK EDU MINI de Segger Microcontroller Systems.

Comprobación de la comunicación PD

Para verificar la comunicación entre dos dispositivos USB PD, los desarrolladores pueden utilizar el analizador de protocolos CY4500 de Infineon Technologies, compatible con las especificaciones USB PD 3.0 y USB-C. Realiza pruebas no intrusivas y captura mensajes de protocolo precisos en las líneas CC. El software de análisis EZ-PD asociado enumera detalladamente todos los mensajes de un diálogo entre dos dispositivos USB PD y un cable EMCA (Figura 7).

Figura 7: El software de análisis EZ-PD rastrea el diálogo entre dos dispositivos USB PD a través de las líneas CC. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

Conclusión:

Aunque es importante comprender los fundamentos del protocolo USB PD para adaptar los diseños a las crecientes necesidades de energía de los dispositivos de los usuarios finales, se trata de un protocolo complejo que puede requerir una amplia programación. Para ahorrar tiempo, los desarrolladores pueden utilizar controladores USB PD preprogramados y altamente integrados para aumentar la potencia USB-C de 15 vatios a más de 100 vatios. Los cargadores USB CA/CC, así como los puertos USB CC/CC, pueden mejorarse con funcionalidad de DP personalizada simplemente configurando el controlador de DP. Utilizar placas de evaluación y un analizador de protocolos de DP facilita el proceso de desarrollo.