Los controladores de disipador USB PD 3 potencian las aplicaciones USB Type-C

La ventana se está cerrando rápidamente para los cargadores de dispositivos patentados, ya que los reguladores regionales se mueven para requerir una solución de carga común basada en un cable y conector USB Type-C® estándar. Los diseñadores de productos que se apresuran a adelantarse a los requisitos regionales para cumplir esta norma pueden optimizar sus aplicaciones para esta nueva era adoptando controladores de disipadores USB Power Delivery (PD) que negocian el suministro de energía entre dispositivos y cargadores.

Después de diciembre de 2024, en la Unión Europea, cualquier dispositivo cableado y recargable que requiera hasta 100 W (las computadoras portátiles están temporalmente exentas del mandato hasta 2026) debe utilizar el puerto USB Type-C recargable que cumpla con las especificaciones USB PD. Otros mandatos para adoptar esa norma entrarán en vigor en 2025 en India y Arabia Saudí, seguidos en 2026 por California.

USB Type-C por sí solo solo puede suministrar 5 V a 3 A, para un total de 15 W. Para alcanzar los 100 A se necesitan las especificaciones USB PD 3.0 o USB PD 3.1, que garantizan que los conectores Type-C puedan negociar voltajes más altos a la vez que transfieren datos a alta velocidad.

USB PD 3.0 admite un suministro de hasta 100 W y voltajes fijos de 5 V, 9 V, 15 V y 20 V, con una corriente máxima de 5 A. La especificación USB PD 3.1 actualizada incluye un rango de potencia ampliado (EPR) y un suministro de voltaje avanzado (AVS), lo que aumenta la potencia de salida hasta 240 W y añade tres nuevos voltajes fijos de 28 V, 36 V y 48 V.

Las Especificaciones USB PD 3.x mejoran las versiones anteriores PD 2.0 con un aumento de la cantidad de información intercambiada entre un disipador (el dispositivo que recibe la energía) y una fuente (el dispositivo que la suministra) para incluir factores que pueden afectar a la aplicación, como el estado de carga de la batería del dispositivo, la temperatura de la batería, los fallos y la sobretensión.

A través de USB PD 3.0, la potencia de 100 W es suficiente para cargar algunas computadoras portátiles, monitores e incluso algunos televisores. USB PD también admite salida de vídeo y audio, incluidos DisplayPort y HDMI, y protocolos de transferencia de datos como Thunderbolt 3.

Aplicaciones mejoradas

Los diseñadores de productos pueden aprovechar USB PD 3.x para ofrecer a los usuarios una mejor experiencia con una carga y transferencia de datos más rápidas, y compatibilidad de dispositivos con un único cable y conector. Pueden contribuir a reducir los residuos electrónicos que se acumulan cuando los consumidores y las empresas utilizan varios cables y cargadores para cargar varios dispositivos.

Esta tecnología permite a los diseñadores simplificar los diseños con menos puertos y componentes. Además, pueden reducir los costes de fabricación y envío al eliminar el peso y el embalaje añadido de los cargadores, así como el tiempo y el esfuerzo necesarios para actualizar los cargadores específicos de los nuevos dispositivos.

Al utilizar un único cable y conector para múltiples funciones, los diseñadores pueden centrarse en crear aplicaciones nuevas y mejoradas que aprovechen la alta potencia y velocidad de datos del USB Type-C PD. También pueden mejorar la experiencia de usuario y la funcionalidad de sus productos con características adicionales como estaciones de acoplamiento, concentradores y convertidores que amplían la conectividad y compatibilidad de los dispositivos.

Al desarrollar nuevas aplicaciones que utilicen USB PD 3.0, los diseñadores de productos se enfrentan a algunos retos, como cumplir la especificación USB PD y garantizar la interoperabilidad con otros dispositivos y cargadores.

Evitar daños o lesiones por sobretensión, sobrecorriente o polaridad inversa es otra cuestión crítica, sobre todo porque las soluciones que utilizan esta tecnología emplean circuitos y firmware más complejos que las generaciones anteriores. Los controladores de suministro de energía, compatibles con múltiples protocolos y configuraciones, y las placas de evaluación, que permiten crear prototipos y realizar verificaciones con rapidez, ayudan a superar estos retos.

Puesta en funcionamiento de USB Type-C PD

Una de las claves de USB PD 3.0 es la capacidad de negociar y gestionar el suministro de energía entre un disipador y una fuente de alimentación mediante un protocolo estandarizado. Los controladores USB PD sink negocian con una fuente USB PD, por ejemplo, un cargador, para adquirir el perfil de alimentación de un dispositivo. Los dispositivos compatibles pueden solicitar y suministrar distintos voltajes y corrientes según sus necesidades y capacidades, y ajustar dinámicamente los niveles de potencia durante el funcionamiento.

El proceso de negociación y gestión del suministro eléctrico consta de cuatro etapas:

• El descubrimiento se produce cuando el disipador y la fuente se identifican mutuamente como dispositivos compatibles con USB PD y establecen un canal de comunicación de datos a través de los pines del canal de configuración (CC) del conector USB Type-C.
• El intercambio de capacidades se produce cuando la fuente identifica sus perfiles de potencia (niveles de voltaje y corriente) ante el disipador, que solicita un perfil que se ajuste a sus necesidades.
• El contrato de potencia es un proceso por el que la fuente acepta o rechaza la solicitud del disipador. Si se acepta, la fuente comienza a suministrar la potencia solicitada al disipador utilizando los parámetros de potencia acordados.
• La actualización de las reglas de potencia permite al disipador o a la fuente iniciar una nueva negociación de potencia para adaptarse a los cambios en los niveles de batería o carga del disipador, o a los cambios en la potencia de entrada de la fuente.

USB PD 3.0 utiliza mensajes ampliados, que regulan el intercambio de información entre un disipador y una fuente, como el estado de la batería, la temperatura o datos específicos del fabricante. También, admite el modo de fuente de alimentación programable (PPS), lo que permite un control más preciso de la tensión y la corriente de salida de la fuente, así como la conmutación fluida de las funciones de alimentación entre el disipador y la fuente sin interrumpir la comunicación de datos.

Otra función clave de USB PD 3.0 es la carga inversa, que permite que un dispositivo con una batería de mayor capacidad cargue un dispositivo con una batería de menor capacidad, independientemente de su función energética. Así, por ejemplo, usando el mismo cable USB Type-C, una computadora portátil puede cargar un teléfono inteligente, o ese mismo teléfono inteligente puede cargar un auricular, un beneficio obvio para los usuarios de dispositivos que pueden llevar un solo cable para cargar varios dispositivos.

La carga inversa puede no ser compatible con todos los dispositivos o cargadores. Además, puede reducir la duración de la batería del dispositivo que funciona como fuente y aumentar la complejidad y el coste del diseño del circuito. Así pues, como ocurre con todas las aplicaciones electrónicas, los diseñadores de productos deben sopesar las ventajas y desventajas de implantar la carga inversa para asegurarse de que cumplen las especificaciones USB PD 3.x y probar la interoperabilidad con una serie de dispositivos y cargadores.

Controladores de disipador USB 3

Para habilitar la funcionalidad USB PD 3.x en sus dispositivos, los diseñadores de productos pueden utilizar controladores de disipador dedicados que admitan el protocolo y gestionen la comunicación con el dispositivo de origen.

Diodes Incorporated ofrece soluciones altamente integradas y rentables que proporcionan carga rápida, carga inversa, modo PPS y otras funciones de USB PD 3.x. También admiten protocolos heredados, como Qualcomm Quick Charge 4+ y Huawei FCP/SCP, lo que garantiza la compatibilidad con un amplio rango de cargadores y adaptadores.

El AP33771 (Figura 1) es un controlador USB PD 3.0 que incorpora firmware compatible con USB PD 3.0 y una interfaz con un menú de alimentación precargado, lo que simplifica su uso. Ofrece un canal de salida que puede suministrar hasta 27 A de potencia.

Figura 1: Asignación de pines del controlador de disipador AP33771. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

El AP33772 (Figura 2) es un controlador USB PD 3.0 que utiliza una interfaz I²C y firmware integrado para negociar la alimentación y el voltaje. Esto proporciona a los diseñadores una mayor flexibilidad para implementar todas las funciones del disipador de descargas parciales. También ofrece dos canales de salida que pueden suministrar hasta 45 W de potencia, e incorpora un circuito de protección contra sobretensión (OVP) para cada canal que puede evitar daños en el dispositivo en caso de que el cargador o el cable estén defectuosos.

Figura 2: El controlador de disipador AP33772 de Diodes viene en un envase del mismo tamaño que el AP33771, pero con diferentes asignaciones de pines. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

Diodes también ofrece un controlador de disipador USB PD 3.1, el AP33771C, que admite EPR/AVS hasta 28 V y Standard Power Range (SPR)/PPS hasta 21 V.

Cada uno de estos controladores ofrece un bajo consumo de energía en modo de espera, alta eficiencia y funciones de protección térmica. Están disponibles en encapsulados W-QFN4040-24 (4 mm x 4 mm) de tamaño reducido, lo que los hace idóneos para dispositivos compactos y portátiles.

Además, ofrece dos placas de evaluación para sus controladores USB PD 3.0. Tanto el AP33771-EVB como el AP33772-EVB están diseñados para aplicaciones de carga que utilicen un dispositivo equipado con un conector Tipo-C y un cargador o adaptador de DP equipado con un conector Tipo-C. El AP33771-EVB utiliza un simple ajuste de resistencia para la negociación USB-PD, mientras que el AP33772-EVB utiliza I²C.

Conclusión:

USB Type-C va camino de convertirse en el estándar mundial para la conectividad de datos de dispositivos. Los protocolos USB PD 3.x ofrecen a los diseñadores de productos una vía para crear aplicaciones que proporcionen más potencia, una carga más rápida y una mejor transferencia de datos para sus dispositivos utilizando conectores y cables aceptados en todo el mundo, eliminando la necesidad de cargadores específicos para cada dispositivo. Con las soluciones de Diodes Incorporated, los diseñadores de productos pueden integrar fácilmente USB PD 3.0 o PD 3.1 en sus dispositivos para aumentar el rendimiento y mejorar la experiencia del usuario.