Utilice los kits de evaluación para desarrollar y probar productos USB Type-C™ y USB PD en un entorno controlado

El último conector/cable USB, el PD (suministro de potencia) y las especificaciones de protocolo (USB Type-C, USB PD 3.0 y USB 3.2, respectivamente) facilitan el uso de los conectores y aumentan las capacidades de suministro de potencia USB y la tasa de producción de datos. Sin embargo, los diseñadores con ganas de explotar las nuevas especificaciones están descubriendo que la implementación presenta muchos desafíos. En particular, el soporte de mayor voltaje y corriente puede provocar daños en periféricos incompatibles, y sobrecalentamiento en cables, conectores y puertos.

Lo que necesitan los desarrolladores que no están familiarizados con USB Type-C y USB PD es una manera de experimentar con las nuevas tecnologías en un entorno controlado con una interfaz de software adecuada. Los proveedores de silicio USB respondieron presentando EK (kit de evaluación) con software y placas que incluyen fuentes de alimentación, conexiones USB a una PC y la última generación de chips USB. Estos EK permiten a los desarrolladores adquirir experiencia en la configuración de USB Type-C y USB PD mediante un diseño probado con una interfaz fácil de usar. Los EK también se pueden usar como un diseño de referencia para los prototipos de los desarrolladores.

En este artículo se explicarán los atributos clave de las últimas especificaciones USB Type-C y se describirán algunas de las complejidades de la implementación. Luego se presentarán los kits de ON Semiconductor, STMicroelectronicsy Texas Instruments y se mostrará cómo se pueden utilizar para explorar de manera segura las capacidades de las nuevas tecnologías USB. Por lo tanto, los componentes integrados en los que se basan el kit y las placas de evaluación se pueden diseñar para crear nuevos productos y aprovechar un mayor rendimiento mientras se ahorra espacio y se reduce la cantidad de componentes.

¿Por qué actualizarse a las últimas especificaciones USB?

Los motivos clave para actualizar un producto a las últimas especificaciones USB son los siguientes:

• Mayor conveniencia: USB Type-C se basa en un conector macho compacto y reversible que es más fácil para los consumidores y se adapta mejor al factor de forma de la electrónica de consumo moderna.
• Mayor tasa de producción: USB 3.2 (se presentó en 2017 y ahora asimila todas las especificaciones USB 3.x anteriores) ofrece velocidades de datos de hasta 20 gigabits por segundo (Gbit/s).
• Mayor potencia: USB PD 3.0 ofrece hasta 100 vatios (5 amperios [A] x 20 voltios) para la carga rápida de tabletas y computadoras portátiles.

El conector USB Type-C es obligatorio para USB 3.2 Gen 2x2, y las versiones futuras del estándar solo serán compatibles con este (y no con los conectores Type-A y Type-B). La especificación incorpora un conector de 24 pines que proporciona cuatro pares a tierra de +5 voltios, dos pares diferenciales para el bus de datos USB 2.0, cuatro pares para el bus de datos SuperSpeed, dos pines de "uso de banda lateral", V_CONN de +5 voltios de potencia para cables activos, y pines de CC (configuración de canal) para la detección de orientación de cables y la gestión de conexiones. Tenga en cuenta que los pines utilizados en una aplicación específica varían según el protocolo de comunicación empleado y los requisitos de suministro de potencia (Figura 1).

Figura 1: El conector de 24 pines USB Type-C es reversible con pines de CC utilizados para la detección de orientación de cables y la gestión de conexiones. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Un conector y un cable USB Type-C “con total equipamiento" puede admitir las velocidades de datos USB más rápidas. Por ejemplo, con USB Type-C, un diseñador puede optar por los protocolos 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). Tenga en cuenta que existen combinaciones de conectores y cables USB Type-C "sin total equipamiento" que no son compatibles con las características de la última especificación. En el resto de este artículo se considerarán los diseños que emplean el hardware USB Type-C con total equipamiento únicamente.

USB Type-C también le permite al diseñador aprovechar los voltajes y las corrientes USB PD más altos disponibles bajo los protocolos de potencia USB PD 2.0/3.0. Desde USB PD 2.0, la especificación define cuatro niveles de voltaje en 5, 9, 15 y 20 voltios. Además, en lugar de seis niveles fijos del estándar USB PD original, las fuentes de alimentación pueden admitir cualquier salida de potencia de fuente máxima de 0.5 a 100 vatios. Las fuentes que suministran más de 15 vatios ofrecen voltajes de 5 y 9 voltios; las que suministran más de 27 vatios, 5, 9 y 15 voltios; y las que suministran más de 45 vatios, 5, 9, 15 y 20 voltios. Estas diversas combinaciones de voltaje y corriente se denominan "perfiles de potencia".

Si bien los niveles de potencia flexibles tienen muchas ventajas, agregan complejidad y algunos desafíos de diseño interesantes debido a los voltajes y las corrientes más altos que admite la tecnología. Por ejemplo, USB PD requiere un componente adicional (un controlador de puerto) para gestionar e implementar los perfiles de potencia USB PD. Los diseñadores acostumbrados al diseño USB Type-A no estarán familiarizados con estas diferencias de inmediato, lo cual aumenta el riesgo de decisiones de diseño no óptimas o posiblemente dañinas.

Por ejemplo, un sistema USB Type-C con USB PD puede conectarse a un puerto USB Type-A a través de un cable de A a C; el puerto USB Type-A V_BUS se mantiene a 5 voltios aproximadamente, pero el puerto USB Type-C con USB PD puede suministrar hasta 20 voltios a 5 A. El puerto con el voltaje V_BUS más alto conduce la corriente al otro puerto, y muchos interruptores de potencia de puerto USB Type-A no tienen protección de corriente inversa, por lo que pueden dañarse con el voltaje más alto. (Para obtener más información sobre el diseño de USB Type-C y USB PD, consulte el artículo de DigiKey “Diseño en USB Type-C y uso de suministro de potencia para carga rápida”).

Administración de la complejidad USB Type-C

La versatilidad que ofrece USB Type-C y USB PD se obtiene a través de cables, puertos y ajustes de potencia configurables. Los conectores USB Type-C detectan y configuran electrónicamente las conexiones mediante CC. Los puertos USB Type-C pueden ser solo host, solo dispositivo (con funcionamiento con roles de host y dispositivo USB tradicionales) o DRP (puertos de doble rol), con el host como DFP (puerto orientado hacia abajo) y el dispositivo como UFP (puerto orientado hacia arriba).

Entre otras ventajas de USB Type-C, se incluyen las siguientes:

• Reconfigurabilidad de puertos de doble rol. Por ejemplo, una computadora portátil puede funcionar como un UFP cuando se carga mediante un monitor o como un DFP cuando proporciona energía a un miniventilador.
• Capacidad de determinar electrónicamente si V_BUS está utilizando la potencia estándar USB Type-C o USB PD, al configurar V_CONN si es necesario.
• Soporte de modos alternativos y accesorios opcionales.

Los controladores de puerto funcionan con controladores PD para gestionar los requisitos y la dirección de la potencia para que, por ejemplo, un dispositivo con una batería modesta, como un teléfono inteligente, no intente proporcionar energía a un dispositivo con requisitos de alta potencia, como una computadora portátil. Con frecuencia, los controladores de puerto incluyen un microcontrolador incorporado que elimina la necesidad de un dispositivo externo para supervisar las transacciones de potencia.

Para ayudar a manejar la complejidad y garantizar un diseño exitoso, los proveedores de chips USB presentaron EK que permiten al diseñador experimentar con circuitos optimizados y protegidos para evaluar las configuraciones de USB Type-C y USB PD que mejor se adapten a la aplicación. Un ejemplo es el STR-USBC-4PORT-200W-EVKde ON Semiconductor, un EK con USB Type-C de cuatro puertos y 200 vatios. Este kit permite a un desarrollador explorar las capacidades de USB PD 3.0 en salidas de voltaje de 5, 9, 15 y 20 voltios y corrientes de hasta 5 amperios, para una potencia de salida máxima por puerto de 100 vatios. Debido a las limitaciones de la fuente de alimentación, el EK está restringido a una potencia de salida máxima total de 200 vatios a través de sus cuatro puertos.

El STR-USBC-4PORT-200w-EVK consta de un controlador de puerto USB PD, un interruptor de protección de alto voltaje y un controlador de fuente de alimentación decreciente (reductor). Viene equipado con una fuente de alimentación de CA/CC que funciona con una entrada de 90 a 265 voltios. La protección térmica y la protección contra sobrecorriente están incorporadas. El EK viene con el software Strata de ON Semiconductor, que incluye herramientas de configuración para probar los perfiles de potencia, experimentar con varias funciones de fallas y retorno, y monitorear la telemetría del sistema mientras suministra cargas variables a los dispositivos conectados (Figura 2).

Figura 2: El EK de USB Type-C de ON Semiconductor presenta un front end de CA/CC de 200 vatios y una salida USB PD de cuatro puertos. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El controlador de puerto del EK es FUSB307Bde ON Semiconductor, que se diseñó para implementar un TCPC (controlador de puerto USB Type-C) con capacidades de USB PD. El chip cumple con la especificación de la interfaz USB PD como un TCPC con una interfaz estandarizada para un TCPM (administrador de puertos USB Type-C) e incorpora un circuito de detección USB Type-C que permite la detección de conexión/desconexión manual. La funcionalidad de PD con prioridad temporal crítica del chip se maneja de manera autónoma, lo cual evita la necesidad de usar un microcontrolador de sistema o un TCPM.

Por su parte, STMicroelectronics ofrece el EK de USB PD STEVAL-ISC004V1 . El EK es una fuente USB PD lista para usar, basada en el controlador USB PD STUSB4710A de la empresa, que muestra cómo convertir una entrada de CC de voltaje fijo en una salida de voltaje variable USB PD. El controlador USB PD se comunica a través de CC de USB Type-C para negociar una cantidad de potencia dada a un dispositivo conectado y puede manejar cualquier conexión establecida con un DFP o un UFP sin soporte del microcontrolador.

Texas Instruments (TI) también ofrece un EK de interfaz de estación de acoplamiento de USB Type-C, el USB-CTM-MINIDK-EVM (Figura 3). El EK es una solución de referencia para un acoplamiento de USB Type-C, que incluye USB PD, audio, datos USB, potencia y video. El EK admite capacidades de potencia de fuente y de disipador en el puerto PD de USB Type-C primario. Cuando recibe energía de un cargador USB Type-C externo, el acoplamiento puede generar 5 voltios a 3 A o de 12 a 20 voltios a 5 A.

El EK incorpora lo siguiente:

• TUSB8041: Un controlador de concentrador USB 3.0 de cuatro puertos que puede proporcionar hasta USB SuperSpeed tanto a través de DFP como de UFP.
• TUSB321: Un TCPC para determinar la conexión y desconexión de puertos, la orientación del cable y la detección de roles. El chip se puede configurar como un DFP, UFP o DRP.
• TPS65982: Un controlador USB Type-C para la gestión de USB PD y la activación de la ruta de potencia.

Figura 3: El EK de la interfaz de USB Type-C USB-CTM-MINIDK-EVM de TI es una solución de referencia para un acoplamiento de USB Type-C, que incluye datos USB, USB PD, audio y video. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los EK de ON Semiconductor, TI y STMicroelectronics guían a un ingeniero por el proceso de ajuste y configuración de un diseño de USB Type-C con USB PD.

El desarrollo del EK de ON Semiconductor se realiza a través del Strata Developer Studio de la empresa. Para comenzar, los desarrolladores deben aplicar un voltaje de CA al EK, conectarlo a la PC a través del cable USB Mini-B, iniciar sesión y dejar que la PC detecte el EK y descargue el contenido relevante.

El desarrollador puede hacer algunos ajustes básicos en el sistema, como la potencia máxima del sistema (de 30 a 200 vatios), un ajuste que garantiza que el total de "contratos" de PD de los cuatro puertos no supere la potencia total del suministro de CA, y un ajuste de "potencia asegurada" por el cual el puerto 1 siempre tiene una cantidad de potencia asignada y los demás puertos comparten la potencia restante entre ellos. También hay un ajuste de protección contra fallas que determina el umbral de temperatura en el que se debe indicar una condición de falla.

El desarrollador luego puede experimentar con ajustes de puertos individuales, que incluyen:

• Potencia máxima de puerto: una vez que se determine, no se ofrecerá ningún contrato que supere el límite.
• Límite actual: de 0 a 6 A.
• Compensación de cable: para reducir la caída de voltaje en el dispositivo disipador cuando recibe corrientes más altas.
• Perfiles publicitados: una vez que se conecta un dispositivo, se mostrará una lista de los perfiles que se ofrecieron al dispositivo disipador.

El desarrollador luego puede acceder a un navegador que indique el voltaje de entrada total y la potencia en los puertos USB, y la información sobre el rendimiento de cada puerto, como el perfil (voltios), el contrato de PD (vatios), la potencia y el voltaje de salida, la temperatura y la eficiencia. El EK puede conectarse a un osciloscopio para mostrar información de rendimiento más detallada, como las transmisiones V_BUS (Figura 4).

Figura 4: El EK de USB Type-C de ON Semiconductor se puede conectar a un osciloscopio para un análisis detallado de las características de funcionamiento del chip. (Fuente de la imagen: ON Semiconductor)

El EK de STMicroelectronics funciona de manera similar al EK de ON Semiconductor. Una vez conectado a una fuente de CC de 22 voltios (mín.) y a un dispositivo periférico con un conector USB Type-C, el ajuste del controlador USB PD integrado del EK se puede leer desde la memoria no volátil a través de una interfaz I²C a una PC. La interfaz de la PC luego permite al desarrollador reconfigurar hasta cinco salidas de voltaje y corriente PD, corrientes pico, y bloqueos de subtensión y sobretensión. Una vez que estos perfiles se configuran en la PC, pueden programarse en la memoria del controlador USB PD y usarse para proporcionar energía al dispositivo periférico conectado.

El EK de TI debe trabajar junto con la placa habilitadora USB Type-C de la empresa. La placa habilitadora está conectada a una PC con un cable de USB Type-A a USB Type-B y un cable DisplayPort; el EK luego se conecta a la placa habilitadora USB Type-C con un cable USB Type-C. El desarrollador luego puede experimentar con la configuración del concentrador USB 3.0, el controlador TCPC y USB Type-C directamente desde la PC.

Conclusión

USB Type-C y USB PD ofrecen conveniencia y una mayor tasa de producción y suministro de potencia para alimentar dispositivos periféricos conectados o cargar sus baterías. Sin embargo, las tecnologías también aportan una mayor complejidad, lo que hace que la implementación sea un desafío para los desarrolladores que solo están familiarizados con los sistemas USB Type-A.

Como se muestra, los desarrolladores que no están familiarizados con USB Type-C y USB PD ahora pueden aprovechar los EK de los proveedores clave de silicio USB que permiten la experimentación con las tecnologías de manera controlada a través de interfaces fáciles de usar. Los EK también se pueden usar como un diseño de referencia para los prototipos de los desarrolladores.