Controladores de dreno USB PD 3 potencializam as aplicações USB Type-C

A janela está se fechando rapidamente para os carregadores proprietários de dispositivos, à medida que os regulamentadores regionais passam a exigir uma solução de carregamento comum baseada em um cabo e conector USB Type-C® padrão. Os projetistas de produtos que estão na corrida para se antecipar aos requisitos regionais para atender a esse padrão podem otimizar suas aplicações para essa nova era adotando controladores de dreno de Fornecimento de Energia USB (PD) que negociam o fornecimento de energia entre dispositivos e carregadores.

Após dezembro de 2024, na União Europeia, qualquer dispositivo carregável com fio que exija até 100 W (os notebooks estão temporariamente isentos da exigência até 2026) deverá utilizar a porta carregável USB Type-C que esteja em conformidade com as especificações USB PD. Outras exigências para a adoção desse padrão entrarão em vigor em 2025 na Índia e na Arábia Saudita, seguidas em 2026 pela Califórnia.

O USB Type-C sozinho pode fornecer apenas 5 V a 3 A, com um total de 15 W. Para atingir 100 W, são necessárias as especificações USB PD 3.0 ou USB PD 3.1, que garantem que os conectores Type-C possam negociar tensões mais altas e, ao mesmo tempo, transferir dados em alta velocidade.

O USB PD 3.0 suporta fornecimento de até 100 W e tensões fixas de 5 V, 9 V, 15 V e 20 V, com uma corrente máxima de 5 A. A especificação atualizada do USB PD 3.1 apresenta uma Faixa de Potência Estendida (EPR) e uma Fonte de Tensão Avançada (AVS), aumentando a potência de saída para até 240 W e adicionando três novas tensões fixas de 28 V, 36 V e 48 V.

As especificações do USB PD 3.x melhoram as versões anteriores do PD 2.0 com um aumento na quantidade de informações trocadas entre um dreno (o dispositivo que recebe energia) e uma fonte (o dispositivo que fornece energia) para incluir fatores que podem afetar o aplicativo, como o status de carregamento da bateria do dispositivo, a temperatura da bateria, falhas e sobretensão.

Os 100 W de potência fornecidos via USB PD 3.0 são suficientes para carregar alguns notebooks, monitores e até mesmo algumas TVs. O USB PD também suporta saída de áudio e vídeo, incluindo DisplayPort e HDMI, e protocolos de transferência de dados como o Thunderbolt 3.

Disponibilizando aplicações aprimoradas

Os projetistas de produtos podem aproveitar as vantagens do USB PD 3.x para oferecer aos usuários uma experiência melhor com carregamento e transferência de dados mais rápidos e compatibilidade de dispositivos com um único cabo e conector. Eles podem ser reconhecidos por reduzirem o lixo eletrônico que se acumula com o uso de vários cabos e carregadores por consumidores e empresas para carregar vários dispositivos.

A tecnologia permite que os projetistas simplifiquem os projetos com menos portas e componentes. Além disso, eles podem diminuir os custos de fabricação e envio com a eliminação do peso e da embalagem adicional dos carregadores, bem como o tempo e o esforço necessários para atualizar os novos carregadores específicos dos dispositivos.

Ao usar um único cabo e conector para várias funções, os projetistas podem se concentrar na criação de aplicações novas e aprimoradas que aproveitam a alta potência e as taxas de dados do USB Type-C PD. Eles também podem aprimorar a experiência do usuário e a funcionalidade de seus produtos com recursos adicionais, como estações de acoplamento, hubs e conversores que expandem a conectividade e a compatibilidade dos dispositivos.

Ao desenvolver novas aplicações utilizando o USB PD 3.0, os projetistas de produtos enfrentam alguns desafios, como aderir à especificação do USB PD e garantir a interoperabilidade com outros dispositivos e carregadores.

A prevenção de danos ou prejuízos causados por sobretensão, sobrecorrente ou polaridade reversa é outra questão crítica, principalmente porque as soluções que usam essa tecnologia utilizam circuitos e firmware mais complexos do que as gerações anteriores. Para ajudar a superar esses desafios, há controladores de fornecimento de energia que suportam vários protocolos e configurações, além de placas de teste que permitem prototipagem e verificação rápidas.

Colocando o USB Type-C PD para funcionar

Um ponto importante do USB PD 3.0 é a capacidade de negociar e gerenciar o fornecimento de energia entre um dreno e uma fonte de alimentação usando um protocolo padronizado. Os controladores de dreno USB PD negociam com uma fonte USB PD, por exemplo, um carregador, para alcançar o perfil de energia de um dispositivo. Os dispositivos compatíveis podem solicitar e fornecer diferentes tensões e correntes de acordo com suas necessidades e recursos, e ajustar dinamicamente os níveis de alimentação durante a operação.

O processo de negociação e gerenciamento do fornecimento de energia consiste em quatro etapas:

• A Descoberta ocorre quando o dreno e a fonte identificam um ao outro como dispositivos compatíveis com USB PD e estabelecem um canal de comunicação de dados pelos pinos do canal de configuração (CC) no conector USB Type-C.
• A Troca de recursos ocorre quando a fonte informa seus perfis de alimentação compatíveis — níveis de tensão e corrente — para o dreno, que então solicita um perfil que corresponda aos seus requisitos.
• O Contrato de alimentação é um processo em que a fonte aceita ou rejeita a solicitação do dreno. Se for aceito, a fonte começa a fornecer a alimentação solicitada ao dreno, utilizando os parâmetros de alimentação acordados.
• A Atualização da regra de alimentação permite que o dreno ou a fonte inicie uma nova negociação de alimentação para acomodar alterações nos níveis da bateria ou na carga do dreno ou alterações na alimentação de entrada da fonte.

O USB PD 3.0 utiliza mensagens estendidas que regem a troca de informações entre um dreno e uma fonte, como status da bateria, temperatura ou dados específicos do fabricante. Ele também é compatível com o modo de fonte de alimentação programável (PPS), permitindo um controle mais refinado da tensão e da corrente de saída da fonte e a alternância contínua das funções de alimentação entre o dreno e a fonte sem interromper a comunicação de dados.

Outro recurso importante do USB PD 3.0 é o carregamento reverso, que permite que um dispositivo com maior capacidade de bateria carregue um dispositivo com menor capacidade de bateria, independentemente de suas funções de alimentação. Assim, por exemplo, usando o mesmo cabo USB Type-C, um notebook pode carregar um smartphone ou esse mesmo smartphone pode carregar um fone de ouvido, um benefício óbvio para os usuários de dispositivos que podem portar um cabo para carregar vários dispositivos.

O carregamento reverso pode não ser compatível com todos os dispositivos ou carregadores. Além disso, isso pode resultar na redução da vida útil da bateria do dispositivo que funciona como fonte e aumentar a complexidade e o custo do projeto do circuito. Assim, como em todos as aplicações eletrônicas, os projetistas de produtos devem pesar os prós e contras da implementação do carregamento reverso para garantir que estejam em conformidade com as especificações USB PD 3.x e testar a interoperabilidade com uma variedade de dispositivos e carregadores.

Controladores de dreno USB 3

Para habilitar a funcionalidade USB PD 3.x em seus dispositivos, os projetistas de produtos podem usar controladores de dreno dedicados que suportam o protocolo e lidam com a comunicação com o dispositivo de fonte.

A Diodes Incorporated oferece soluções altamente integradas e econômicas que fornecem carregamento rápido, carregamento reverso, modo PPS e outros recursos do USB PD 3.x. Eles também suportam protocolos legados como o Qualcomm Quick Charge 4+ e o Huawei FCP/SCP, garantindo a compatibilidade com uma ampla gama de carregadores e adaptadores.

O AP33771 (Figura 1) é um controlador USB PD 3.0 que apresenta firmware compatível com USB PD 3.0 e uma interface com um menu de alimentação pré-carregado, o que simplifica o uso. Ele oferece um canal de saída que pode fornecer até 27 W de potência.

Figura 1: atribuições dos pinos do controlador de dreno AP33771. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

O AP33772 (Figura 2) é um controlador USB PD 3.0 que utiliza uma interface I²C e firmware integrado para negociar potência e tensão. Isso proporciona aos projetistas maior flexibilidade para implementar todas as funções do dreno PD. Ele também oferece dois canais de saída que podem fornecer até 45 W de potência e possui um circuito incorporado de proteção contra sobretensão (OVP) para cada canal, o que pode evitar danos ao dispositivo no caso de um carregador ou cabo com defeito.

Figura 2: o controlador de dreno AP33772 da Diodes vem em um invólucro do mesmo tamanho que o AP33771, mas com atribuições de pinos diferentes. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

A Diodes também oferece um controlador de dreno USB PD 3.1, o AP33771C, que suporta EPR/AVS até 28 V e faixa de potência padrão (SPR)/PPS até 21 V.

Cada um desses controladores oferece baixo consumo de energia em modo de espera, alta eficiência e recursos de proteção térmica. Eles estão disponíveis em invólucros W-QFN4040-24 (4 mm x 4 mm) de pegada reduzida, o que os torna adequados para dispositivos compactos e portáteis.

Além disso, a Diodes oferece duas placas de teste para seus controladores USB PD 3.0. A AP33771-EVB e a AP33772-EVB foram projetadas para aplicações de carregamento usando um dispositivo equipado com conector Type-C e um carregador ou adaptador PD equipado com conector Type-C. A AP33771-EVB usa uma configuração simples de resistores para negociação USB-PD, enquanto a AP33772-EVB usa I²C.

Conclusão

O USB Type-C está a caminho de se tornar o padrão global para conectividade de dados de dispositivos. Os protocolos USB PD 3.x oferecem aos projetistas de produtos um caminho para criar aplicações que fornecem mais energia, carregamento mais rápido e melhor transferência de dados para seus dispositivos usando conectores e cabos aceitos globalmente, eliminando a necessidade de carregadores específicos para cada dispositivo. Com as soluções da Diodes Incorporated, os projetistas de produtos podem integrar prontamente o USB PD 3.0 ou PD 3.1 aos seus dispositivos para aprimorar o desempenho e melhorar a experiência do usuário.