Velocizzate il Progetto del vostro Caricatore USB Power Delivery

Di: Bakul Damle Business Management Director; Maxim Integrated e Sagar Khare Executive Business Manager, Battery Management; Maxim Integrated

Nei dispositivi portatili, le funzioni avanzate come il 5G e i display 4K fanno aumentare la potenza assorbita, che in molti casi nei dispositivi alimentati da batterie 2S ad alta capacità supera abbondantemente i 15 W. Per questi gadget ad alto consumo energetico l’USB Power Delivery (PD) rappresenta un vantaggio, poiché consente una carica rapida che permette a questi prodotti di tornare in funzione con tempi di inattività brevi (Figura 1). Inoltre molte applicazioni, che in precedenza utilizzavano alimentatori esterni AC-DC, stanno passando all’USB PD per questioni di comodità e standardizzazione. Per i progettisti, tuttavia, la conformità allo standard USB PD richiede in genere uno sviluppo del firmware complesso e l’implementazione di componenti hardware aggiuntivi. Con la breve distanza tra i pin della porta Type-C e la presenza di una tensione elevata (20 V), se il connettore viene inserito o scollegato in modo obliquo è possibile che si verifichino danni. In effetti, entrambe le specifiche USB Type-C e USB PD richiedono esperienza di progettazione hardware e software e conoscenza avanzata delle specifiche USB.

I dispositivi di consumo, come fotocamere, sistemi AR/VR e altoparlanti wireless, stanno guidando la corsa verso l’USB Type-C e l’USB PD. Per ironia della sorte, sono proprio questi i prodotti che non possono permettersi un ciclo di sviluppo prolungato, a causa della pressione dovuta al time-to-market. In prospettiva, le applicazioni in settori come quello industriale e medicale sono in procinto di essere adottate su scala più ampia, in quanto sono gli stessi utenti del settore consumer a pretendere il medesimo livello di comodità d’uso anche nei rispettivi ambienti professionali. Notiamo inoltre che lo standard USB Type-C viene utilizzato anche in dispositivi POS (Point-of-Sale), scanner industriali e tiralatte. In questo post condivideremo alcuni suggerimenti per semplificare la progettazione di progetti USB PD.

 Figura 1. USB Type-C e USB Power Delivery aggiungono la comodità di un trasferimento dati veloce e una carica rapida ai dispositivi portatili.

Sfide Progettuali dei Sistemi di Carica USB-C

USB Type-C e USB PD consentono ai progettisti di realizzare la promessa di un connettore universale, fornendo le specifiche per un connettore reversibile a 24 pin per trasferire dati e fornire alimentazione. Lo standard USB-C prevede una tensione di 5V con corrente fino a 3A (15W), mentre le specifiche USB PD 3.0 prevedono da 5V-20V con corrente fino a 5A (100W). Per progettare un sistema di carica per USB-C, sarà necessario:

• Affrontare i problemi di velocità e integrità del segnale

• Potersi collegare a una varietà di interfacce precedenti

• Assicurarsi che il progetto sia in grado di gestire un’ampia gamma di tensioni e correnti, compreso l’avvio con connettore non alimentato (0V fino al completamento del rilevamento end-to-end)1.

• Garantire che il caricatore e il controllore della porta siano in grado di comunicare tra loro quando viene inserita la fonte di carica USB-C

• Soddisfare la richiesta di dimensioni sempre più ridotte in prodotti come i dispositivi di consumo

• Mantenere l’efficienza termica per ridurre al minimo l’aumento della temperatura

Per rispondere a queste sfide è in genere necessario un complesso sviluppo di software dal lato host per la negoziazione USB-C, oppure l’impiego di componenti aggiuntivi come FET e microcontrollori esterni. Tuttavia, sono disponibili soluzioni di sistema di carica che contribuiscono a ridurre al minimo questi problemi. Una caratteristica fondamentale è la conformità ai protocolli, che semplificherà l’implementazione del progetto. Alcune soluzioni sono anche progettate con action script basati su eventi, che facilitano il processo di personalizzazione. Gli IC altamente integrati elimineranno la necessità di un elevato numero di componenti discreti. Inoltre, assicuratevi di considerare le caratteristiche che consentiranno di mantenere un funzionamento affidabile negli ambienti critici (ad esempio, con variazioni delle condizioni di temperatura o umidità).

Un’altra considerazione sorge con l’uso di batterie di maggiore capacità necessarie ai dispositivi finali, a elevato consumo, per consentire tempi di funzionamento più lunghi. Passare da una batteria 1S a una 2S aumenta la capacità, senza aumentare la corrente di carica. Poiché l’USB-C supporta tensioni di ingresso comprese tra 5 e 20 V e le tensioni delle batterie 2S o 3S si collocano nel mezzo, un convertitore buck-boost può aiutare a colmare il divario. La Figura 2 mostra lo schema a blocchi di un’applicazione basata su una batteria 2S.

Figura 2. Schema a blocchi di un’applicazione basata su una batteria 2S.

Compatibilità USB-C Immediata

Maxim Integrated ha presentato una nuova coppia di soluzioni per sistemi di carica USB-C che garantiscono la conformità immediata alle specifiche USB PD 3.0, eliminando lo sviluppo del firmware e riducendo fino a tre mesi i tempi di sviluppo. Le loro dimensioni compatte, inoltre, riducono della metà l’ingombro della soluzione rispetto alla concorrenza. Il controllore di carica USB Type-C e USB Power Delivery MAX77958 è in grado di eliminare la fase dello sviluppo del firmware, grazie al suo script di personalizzazione basato su GUI, al supporto BC1.2 e alle impostazioni di configurazione relative a Fast Role Swap (FRS), Dual Role Port (DRP) e alla modalità Try.SNK. Il dispositivo stand-alone elimina il microcontrollore esterno, offre la conformità immediata USB PD 3.0 e consente di personalizzare il funzionamento dell’applicazione finale senza dover sviluppare il firmware. Il dispositivo è inoltre progettato per resistere agli ambienti ostili grazie a caratteristiche quali la tensione di 28 V, la protezione da cortocircuito VBUS sui pin CC, il convertitore analogico-digitale (ADC) integrato, il rilevamento dell’umidità e la prevenzione della corrosione.

Il MAX77958 è in grado di controllare autonomamente un caricatore ausiliario attraverso la propria interfaccia master I2C. MAX77961 è un caricabatteria buck-boost da 6A con FET integrati per la ricarica rapida di batterie agli ioni di Litio 2S e 3S a elevata capacità. Offre un’ampia gamma di tensioni di ingresso (da 3,5 a 25 V) per la ricarica USB PD, non richiede FET discreti e può essere configurato con o senza un processore applicativo. L’efficienza di picco è del 97% a 9VIN, 7,4VOUT, 1,5AOUT.

Potete valutare entrambi i componenti con il MAX77958EVKIT-2S6# (configurato per batterie 2S) o il MAX77958EVKIT-3S6# (configurato per batterie 3S), che dimostrano come il MAX77958 possa controllare autonomamente il caricatore MAX77961 con la propria caratteristica master I2C.

Questi dispositivi fanno parte di un più ampio portafoglio di dispositivi USB Type-C e USB PD che includono caricatori e convertitori energeticamente efficienti, controllori autonomi e robusti nonché IC di alimentazione e protezione.

Riferimenti

1 https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/6/6918.html