Introducción a la entrega de energía USB-C

Por Bill Giovino

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

La especificación USB Type-C™ presenta nuevas opciones para entregar energía escalable a través de USB, pero la especificación es intrínseca y los desarrolladores enfrentan problemas de seguridad y diseño.

En este artículo, se presentan soluciones para receptáculos USB Type-C (también conocidas como USB-C) y se guía a los desarrolladores sobre cómo integrar y diseñar estos conectores para receptáculos USB-C en un diseño nuevo para proporcionar de manera segura energía USB escalable a dispositivos externos.

Presentación de USB-C

El estándar USB 1.1 original especificó una corriente máxima de 500 miliamperios (mA) a 5 voltios (2.5 vatios), y USB 2.0 permitió alcanzar este mismo valor máximo. Esto se modificó con la especificación USB 3.1, que permite alcanzar una corriente máxima de 900 mA. Todo esto usando el familiar conector USB rectangular. Sin embargo, a medida que aumentó la predominancia del USB, sus aplicaciones y las demandas impuestas se incrementaron en función de la compatibilidad de los conectores y de la capacidad de entrega de energía.

Estas demandas han dado lugar al desarrollo del estándar USB Type-C™. USB-C no es una especificación de entrega de datos, sino un nuevo estándar para un conector USB en miniatura. A través de su historia, el USB ha estado afectado con problemas vinculados a la compatibilidad de los conectores. La inserción del conector USB Type-A rectangular estándar ha estado siempre relacionada con la Ley de Murphy: no importa el modo en que el usuario inserta el conector polarizado, siempre estará al revés (Figura 1). Incluso cuando se inserta en la orientación correcta, es posible que el conector no se asiente correctamente, y esto hace que se invierta el conector y deba volver a insertarse una y otra vez.

Imagen de muchos tipos de conectores USB

Figura 1: Desde el USB 1.1, los desarrolladores y usuarios han tenido muchos tipos de conectores USB para elegir. El conector más común encontrado en los equipos de los equipos de consumidores es el conector USB Type-A, usado para USB 1.1, 2.0, 3.0 y 3.1. (Fuente de la imagen: Wikipedia)

Dado el gran tamaño del conector Type-A polarizado, los tipos de micro y miniconectores básicos polarizados más pequeños se desarrollaron para una integración más sencilla en dispositivos pequeños del consumidor. Incluso estos presentaban los mismos problemas de orientación para los desarrolladores y usuarios que el Type-A.

El nuevo conector USB-C (abajo a la derecha de la Figura 1) es solamente un poco más grande que el conector USB micro-B disponible en teléfonos inteligentes Android y dispositivos de Internet de las cosas (IoT). Reemplaza el conector del equipo (Host) y del dispositivo, y eso da lugar al reemplazo de distintos tipos de cables con un tipo individual. Además, el conector USB-C no está codificado y no tiene una orientación de preferencia, lo que permite establecer una conexión sólida, independientemente del modo en que se inserte.

Pasadores y niveles de energía del conector USB-C

El conector USB-C admite USB 2.0 y USB 3.1. Cuando se usa para USB 3.1, el estándar requiere que también admita compatibilidad con versiones anteriores con USB 2.0, y este es el uso recomendado para nuevos diseños. No obstante, para diseños con una baja velocidad de datos, el conector también puede usarse para USB 2.0 solamente.

Diagrama de conector para receptáculos de 24 pasadores USB-C de STMicroelectronics

Figura 2: El conector para receptáculos de 24 pasadores USB-C no está polarizado y es reversible, lo que permite conectar de manera sencilla una clavija sin importar la forma en que se inserte. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Si se observa el pasador para receptáculo del conector USB-C, los cuatro pasadores a tierra (GND) están dispuestos en el exterior del conector (Figura 2). Esto sirve de ayuda con la inmunidad al ruido, y también permite una conexión fácil a la carcasa metálica del conector a tierra. Los pasadores D+ y D- de datos bidireccionales USB 2.0 estándar se duplican en el centro y son requisito obligatorio para todas las aplicaciones de transmisión de datos USB-C. El USB 3.1 tiene rutas de transmisión y recepción de datos de alta velocidad individuales, con pasadores de recepción RX1+ y RX1-; duplicados con RX2+ y RX2-. Las rutas de transmisión de datos del USB 3.1 son las mismas que con TX1+ y TX1-, y duplican las de TX2+ y TX2-.

El estándar del conector USB-C también admite transmisión de video, incluso DisplayPort y HDMI. El estándar exige este Modo alternativo, tema que no se abordará en el presente artículo.

Lo importante en este contexto es que el estándar del conector USB-C especifica una entrega de corriente máxima de hasta 3.0 amperios a 5 voltios para hasta 15 vatios de energía. Llevando este concepto más lejos, se encuentra el Estándar de entrega de energía de USB v2.0, que especifica que un conector USB-C que admite USB 3.1 puede actuar como fuente de hasta 100 vatios de energía (20 voltios a 5 amperios). Esta energía se proporciona a los cuatro pasadores VBUS. Esto hace que la interfaz USB se convierta de una fuente de energía auxiliar en una fuente de energía primaria.

La implementación de diseños de conectores USB-C puede ser engañosa.

Admitir hasta 100 vatios de energía en un proyecto requiere cuidadosos procedimientos de diseño de la placa para garantizar la seguridad para el usuario, así como también para el desarrollador. La mayoría de los proyectos no deberán proporcionar esa cantidad de energía; por ejemplo, el cargador de un teléfono inteligente de muy alta corriente puede calificarse a 3.0 amperios. No obstante, un punto óptimo común para la mayoría de los conectores USB-C comerciales es 5.0 amperios entre los pasadores VBUS y GND. Esto se logra a través del conector USB-C en ángulo recto USB 3.1 10137062-00021LF Gen 1 de Amphenol FCI (Figura 3).

Imagen de conector USB-C Amphenol FCI 10137062-00021LF

Figura 3: El conector USB-C Amphenol FCI 10137062-00021LF es un conector de cuerpo corto y montaje superior en ángulo recto, y puede montarse a través de orificio o en superficie. (Fuente de la imagen: Amphenol FCI)

Este conector para receptáculo USB-C admite un máximo de 5 amperios, de modo que, para ofrecer 100 vatios, se requerirían 20 voltios de CC. Sin embargo, para la mayoría de los proyectos, 25 vatios (5 voltios a 5 amperios) es suficiente y seguro. Este conector USB-C admite la velocidad de datos USB 3.1, Gen 1 de 5 gigabits por segundo (Gbits/s), y el voltaje nominal máximo es de 100 voltios de CC o CA, lo que podría ofrecer un máximo de 1 amperio, según la energía máxima de 100 vatios de la especificación.

Este conector admite montaje en superficie o ensamble a través de orificios, y se asienta sobre la placa de CI. La carcasa de acero inoxidable del conector es más resistente que la de aluminio, y está conectada eléctricamente a los pasadores GND.

La carcasa debe conectarse a tierra usando cuatro lengüetas estrechas que se deslizan en ranuras de la placa de CI, dos a cada lado del conector. No olvide soldar estas lengüetas al plano a tierra de la alimentación del equipo usando una abundante cantidad de soldadura para garantizar una conexión sólida.

Enrutamiento de señales del conector USB-C

Las señales diferenciales de alta velocidad del USB 3.1 deben enrutarse con cuidado, de modo que estén adyacentes entre sí y a la misma longitud exacta. Procure que las trayectorias de las señales diferenciales sean lo más cortas posibles para minimizar la EMI. Para lograr una mejor inmunidad al ruido, coloque las señales diferenciales en una capa interna de la placa de CI. Si se enruta en una capa externa de la placa de CI, aísle las señales de otras líneas de datos rodeando la trayectoria del par diferencial con trayectorias a tierra. Además, siempre enrute las señales diferenciales a través de un plano a tierra sólido para minimizar la EMI.

Diseñe la placa de CI, de modo que la impedancia de la trayectoria diferencial sea 90 ohmios ±10 % para que coincida con la impedancia diferencial del cable USB. Además, enrute cada trayectoria de modo que la impedancia de un solo extremo de cada par sea la misma. A modo de regla general, en esta situación, la impedancia de un par diferencial es el doble de la impedancia de uno de los pares. Como tal, la trayectoria debe enrutarse de modo que cada impedancia de un solo extremo sea de 45 ohmios ±10 %, o aproximadamente esta.

Cómo enrutar señales de energía USB-C de manera segura

El enrutamiento de las señales de energía es más crítico. Deben proporcionarse de manera segura 5 amperios con cuidado para evitar cortocircuitos accidentales a la caja del proyecto o al usuario. Los 5 amperios pueden enrutarse en una capa superior o inferior de la placa de CI, pero no deben acercarse demasiado a la placa de CI. Esto ayudará a evitar conexiones accidentales con el gabinete del proyecto provocadas por un golpe o un daño en el gabinete.

Para proporcionar de manera segura 5 amperios en una placa de CI a través de cobre con un espesor de dos onzas por pie cuadrado, se requiere un ancho de trayectoria de 44.6 mil. Un método más seguro implica aislar la corriente de cualquier influencia externa al enrutar los 5 amperios en una capa de la placa de CI interna, lo que normalmente requeriría un ancho de trayectoria de 116 mil con la misma densidad del cobre (cálculos basados en el perfil IPC-2221). Enrute la mayor cantidad de cobre como sea posible cerca de los pasadores del conector VBUS para evitar la pérdida de corriente.

Conectores USB-C de montaje vertical

Si el espacio de la placa de CI es escaso, el conector para receptáculo USB-C puede montarse verticalmente. Para esto, Amphenol FCI tiene el conector USB-C de montaje vertical USB 3.1 10132328-10011LF.

Imagen del conector USB-C de montaje vertical de Amphenol FCI

Figura 4: Este conector USB-C de montaje vertical de Amphenol FCI presenta un espacio de placa de CI pequeño y puede usarse para ahorrar espacio de la placa. (Fuente de la imagen: Amphenol FCI)

Este conector USB-C vertical admite el estándar de datos USB 3.1, Gen 2 de 10 Gbits/s. También admite la entrega de energía de 100 vatios con su voltaje nominal máximo de 100 voltios de CC o CA, y la capacidad de proporcionar hasta 5 amperios. Presenta la misma construcción de carcasa de acero inoxidable que el conector de ángulo recto. Al igual que el conector de ángulo recto, asegúrese de que las cuatro lengüetas en el receptáculo estén conectadas de manera segura a tierra a través de orificios en la placa de CI, con una abundante cantidad de soldadura.

A diferencia del receptáculo de ángulo recto, solo se puede montar en superficie en el extremo pequeño del conector, lo que acerca más los contactos de energía VBUS a los contactos de la señal. El enrutamiento cuidadoso de los contactos de energía lejos de los contactos de señal es una acción obligatoria. Dado el acotado espacio, el método más seguro implica colocar los pares de datos y los contactos de energía VBUS en diferentes capas de la placa de CI.

Cuando se proporciona energía a los conectores para receptáculos mencionados, existe un breve protocolo de acercamiento (“handshaking”) entre el Host USB y el Dispositivo que decide la cantidad de energía que proporcionar. Hay CI que manejan las conexiones del disipador a la fuente USB, lo que permite que el proceso sea transparente para el desarrollador.

Un buen ejemplo es el controlador de origen USB-C STMicroelectronics’ STUSB1700. Esto maneja de manera segura conexiones de Host a Dispositivo USB-C de 5 voltios. Al proporcionar energía, el STUSB1700 puede detectar y brindar protección contra cortocircuitos de energía, corrientes por encima de un límite programado, sobrecalentamiento superior a 145 °C, condiciones de poco y mucho voltaje y corriente inversa, así como condiciones de voltaje inverso. Esto simplifica en gran medida el diseño seguro de un sistema USB-C al tiempo que reduce la complejidad para el desarrollador.

El Diagrama de STMicroelectronics STUSB1700 en este circuito proporciona 3 amperios de energía (clic para ampliar)

Figura 5: El STUSB1700 en este circuito proporciona 3 amperios de energía y puede funcionar de manera independiente. Si se administra mediante un microcontrolador opcional con una interfaz I2C, deben agregarse resistores de nivelación R3 a R10. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

El STUSB1700 se usa para conectores Host USB-C y puede detectar una nueva conexión entre el Host y un Dispositivo. Puede determinar la energía que necesita del Dispositivo y proporcionar la corriente necesaria. También determina si el dispositivo es un accesorio de audio digital, de modo que pueda suministrar una señal al microcontrolador para ofrecer audio digital a través del puerto USB-C. Puede negociar con el Dispositivo USB para decidir si es necesario que la energía sea la predeterminada USB (hasta 900 mA), media USB (hasta 1.5 amperios) o corriente alta USB (hasta 3.0 amperios).

Conclusión

El nuevo estándar USB-C permite proporcionar de manera segura energía hasta 100 vatios a dispositivos con el diseño adecuado. Con todos los teléfonos inteligentes, cámaras digitales, equipos y accesorios electrónicos diseñados de manera estándar con un conector fácil de usar, los desarrolladores no deben preocuparse por el tamaño ni el tipo de conector para usar, lo que también sirve como preparación para el futuro de los diseños.

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Información sobre el autor

Bill Giovino

Bill Giovino es ingeniero electrónico con un BSEE de la universidad de Syracuse y es uno de los pocos profesionales capaz de pasar de ingeniería en diseño a ingeniería de aplicación en campo a marketing tecnológico de forma exitosa.

Durante más de 25 años, Bill ha disfrutado promocionar las nuevas tecnologías a audiencias técnicas y no técnicas por igual en muchas empresas, entre ellas STMicroelectronics, Intel y Maxim Integrated. Mientras trabajó en STMicroelectronics, Bill ayudó a dirigir los primeros éxitos de la empresa en la industria de microcontroladores. En Infineon, Bill estuvo a cargo de que el diseño del primer controlador de la empresa tuviera éxito en la industria automotriz de EE. UU. Como consultor de marketing para CPU Technologies, Bill ha ayudado a muchas empresas a convertir sus productos con bajo rendimiento en casos de éxito.

Bill fue uno de los primeros en adoptar el Internet de las cosas, incluso colocar la primera pila de TCP/IP en un microcontrolador. Bill es un ferviente creyente de "Vender a través de la educación" y de la gran importancia de contar con comunicaciones claras y bien escritas a la hora de promocionar productos en línea. Es moderador del grupo en Linkedin denominado Semiconductor Sales & Marketing (Marketing y ventas de semiconductores) y habla sobre el concepto B2E (empresa-empleado) de manera fluida.

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