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Le porte USB Type-C® con USB Power Delivery (PD) stanno diventando la porta standard per la ricarica di dispositivi alimentati a batteria a cella singola o multicella. Applicazioni come gli altoparlanti wireless, le power bank e gli utensili elettrici sono passate dall’uso di porte di ricarica proprietarie, porte USB legacy e jack a barilotto all’impiego di una porta USB PD standard. L’USB PD offre un’alternativa universale per una ricarica rapida e pratica, consentendo agli utenti di non dover portare con sé diversi adattatori o cavi e aiutando gli ingegneri progettisti a creare applicazioni di minori dimensioni con ricarica più rapida e meno componenti.
A mano a mano che aumenta il numero di funzionalità di queste applicazioni, che si fanno sempre più compatte e assetate di energia, diventa necessario fornire più potenza in soluzioni dalle dimensioni più contenute. Al tempo stesso, i consumatori iniziano ad aspettarsi che i loro nuovi dispositivi siano dotati di USB Type-C. Tuttavia, l’implementazione di una porta USB PD si è dimostrata storicamente alquanto impegnativa per gli sviluppatori di prodotto.
Come semplificare le problematiche di progetto
In passato, l’aggiunta di una porta USB PD richiedeva una comprensione molto approfondita delle specifiche USB e un notevole impegno nello sviluppo del firmware e dell’hardware. Molti componenti diversi devono lavorare insieme per rendere possibile il supporto dell’USB PD. I due principali circuiti integrati (IC) necessari per realizzare una porta USB PD completa per applicazioni di ricarica sono il circuito integrato del controller USB PD e il circuito integrato del caricabatterie. Solitamente questi circuiti integrati operano in modo indipendente l’uno dall’altro e non sono in grado di collaborare all’interno di un sistema senza l’importante contributo di un microcontroller esterno (MCU).
Questa limitazione richiede a sua volta lo sviluppo del firmware della MCU per consentire la comunicazione degli eventi che si verificano sulla porta USB PD al circuito integrato del caricabatterie. Ad esempio, una volta che il circuito integrato del controller USB PD ha negoziato una nuova tensione e una nuova corrente (oppure un nuovo contratto di potenza) sulla porta USB Type-C, il microcontroller deve leggere nuovamente questa informazione sul controller USB PD e quindi aggiornare la corrente di carica e la tensione di carica dei caricabatterie in base a ciò che è collegato alla porta USB PD. Inoltre, l’estrazione di potenza dalla porta USB PD per caricare dispositivi esterni richiede ulteriori comunicazioni tra il controller USB PD, la MCU e il caricabatterie.
La programmazione della MCU per interfacciarsi tra il controller USB PD e il caricabatterie non è di solito l’unico sviluppo firmware necessario per l’aggiunta dell’USB PD. I tipici circuiti integrati per controller PD richiedono una qualche forma di sviluppo firmware per configurare il comportamento stesso del controller PD, ad esempio per compilare del codice o delle funzioni di scripting fra di loro. La configurazione del controller USB PD è necessaria per garantire che le impostazioni sul controller PD siano conformi ai requisiti del sistema, tra cui le tensioni e le correnti che il sistema può assorbire e quali può invece erogare.
Progettare con controller e caricatori di TI
Per contribuire a semplificare la progettazione di una porta USB PD per applicazioni alimentate a batteria fino a 45 W, il controller USB PD TPS25750 aggiunge il supporto host I2C per controllare direttamente il caricabatterie BQ25792 senza alcun intervento da parte di una MCU esterna. Il controller USB PD TPS25750 aggiorna automaticamente i parametri di ricarica del BQ25792 tramite I2C sulla base della negoziazione di potenza attraverso la porta USB PD. Pertanto, la MCU esterna diventa superflua e non è necessario sviluppare il firmware per l’aggiunta di una porta USB PD alle applicazioni alimentate a batteria.
La configurazione del comportamento di una porta USB PD con interfaccia grafica utente (GUI) basata sul web del TPS25750 comprende la risposta ad alcune domande a scelta multipla per individuare le caratteristiche che devono essere supportate dalla porta USB PD: non è quindi necessario provvedere a complesse operazioni di scripting, compilazione di codice o sviluppo firmware. In questo modo non si riducono soltanto i costi in distinta base, ma è possibile aggiungere l’USB PD senza possedere esperienza approfondita su questa tecnologia.
TPS25750 e BQ25792 integrano tutti i percorsi di potenza necessari per il caricabatterie e per il controller USB PD. La Figura 1 mette in evidenza il modo in cui questi dispositivi riescono a semplificare l’implementazione di una porta USB PD per sistemi alimentati a batteria fino a 45 W. Quando si utilizzano questi due circuiti integrati insieme, la porta USB PD è in grado di offrire supporto per potenza bidirezionale sia per l’erogazione (source) che per l’assorbimento (sink) di potenza, permettendo quindi al sistema di caricare o essere ricaricato dalla porta USB PD una volta collegato a un dispositivo esterno, come un laptop, uno smartphone, un paio di cuffie o un alimentatore in CA.
In aggiunta ai vantaggi coperti da questa implementazione di sistema, il TPS25750D e il BQ25792 integrano tutti i transistor a effetto di campo (FET) ed eliminano la necessità di una MCU esterna, permettendo quindi di realizzare una soluzione dalle dimensioni particolarmente ridotte. Rispetto a un’implementazione per ricarica batterie con USB PD non integrato basato su MCU, le dimensioni tipiche della soluzione di sistema sono di circa 150 mm2. Utilizzando il TPS2570 e il BQ25792, è possibile raggiungere dimensioni della soluzione di sistema di circa 55 mm2.
- Figura 1: Implementazione per caricabatterie USB PD con TPS25750D e BQ25792
La Figura 2 mostra un controller USB PD basato su MCU e un caricabatterie con FET esterni per applicazioni che richiedono ricarica a potenza elevata e una potenza di sistema tipicamente superiore a 45 W. Per applicazioni al di sopra dei 45 W, è possibile prendere in considerazione l’abbinamento tra il controller TPS25750 e il caricabatterie BQ25731.
- Figura 2: Soluzione non integrata basata su MCU
La Tabella 1 mostra un confronto per la ricarica USB PD tra soluzioni basate su MCU integrate e non integrate.
| Implementazione per caricabatterie USB PD fino a 45 W | Implementazione per caricabatterie USB PD non integrato basato su MCU | |
| MCU esterna | Non necessaria il TPS25750 è il controller host I2C per il caricabatterie | Necessaria; il controller USB PD e il caricabatterie funzionano in modo indipendente |
| Sviluppo firmware | Non necessario; il sistema è configurabile tramite una GUI di tipo Q&A | Necessario; richiesto per l’interfaccia con il controller USB PD e il caricabatterie tramite la MCU |
| Percorsi di alimentazione del sistema | Tutti i percorsi di alimentazione del sistema sono integrati nel controller USB PD e nel caricabatterie | I FET esterni sono necessari per completare la soluzion |
| Dimensioni della soluzione | Circa 55 mm2 | Circa 150 mm2 |
Tabella 1: Confronto dell’implementazione di un caricabatterie USB PD integrato e non integrato
Recentemente la tendenza verso l’utilizzo dell’USB PD per la ricarica si è fatta più pressante, con normative che spingono verso i caricabatterie universali. L’aggiornamento del vostro sistema all’utilizzo dell’USB PD è ora più semplice che mai, grazie al TPS25750 e al BQ25792, che permettono di passare al connettore di ricarica universale più recente, senza compromettere le dimensioni della soluzione.
