Como aumentar rapidamente a transferência de potência de dispositivos USB-C para 100 W com o mínimo de programação

À medida que as portas de Barramento Serial Universal Type-C (USB-C) se tornam mais comuns, muitos usuários contam com elas para fornecer níveis cada vez mais altos de energia elétrica a uma ampla variedade de dispositivos conectados. No entanto, a especificação USB-C limita o fornecimento de energia básica de um dispositivo "só Type-C" a um máximo de 15 watts (5 volts, 3 amperes (A)).

Para superar essa limitação, os projetistas podem adicionar o USB PD (Power Delivery ou fornecimento de energia) e criar um dispositivo PD Type-C que pode fornecer até 100 watts (20 volts, 5 A) na faixa de potência padrão (SPR). Agora, em vez de programar meticulosamente o abrangente protocolo USB PD, os desenvolvedores podem configurar facilmente um controlador PD pronto para uso e adicionar funcionalidade PD personalizada e otimizada a carregadores CA/CC e portas USB com controle de corrente.

Este artigo apresenta uma visão geral dos principais requisitos dos sistemas PD. Em seguida, ele apresenta o controlador PD FUSB15101MNTWG da onsemi e mostra como começar a configurar rapidamente o firmware pré-programado do controlador usando placas de avaliação, software de desenvolvimento, adaptadores de programação/depuração e um analisador de protocolo PD.

Conversor de comutação com regulagem de potência controlada por protocolo

Houve uma época em que os carregadores analógicos de parede para dispositivos alimentados por bateria consistiam em apenas dois componentes: um transformador e um retificador. Agora, a necessidade de maior eficiência, maior flexibilidade e miniaturização contínua se combinam para tornar complexa a tarefa de alimentar até mesmo dispositivos eletrônicos simples. Os conversores de comutação baseados em microcontroladores atuais precisam negociar dinamicamente sua potência de saída com cargas inteligentes conectadas por meio de um protocolo complexo.

O USB PD é um desses protocolos. Na versão 3.1, ele coordena até 240 watts de energia da rede elétrica por meio de um cabo de conexão inteligente USB Type-C EMCA (Electronically Marked Cable Assembly) e, ao mesmo tempo, mantém a compatibilidade com padrões USB mais antigos. No entanto, o controle da transmissão dinâmica de energia PD por meio do conector USB-C de 24 pinos vai muito além das tensões de controle estático nas linhas de dados da interface USB clássica de quatro fios.

Um dispositivo USB PD pode operar como fonte de alimentação de uma porta voltada para a jusante (DFP), como um consumidor de energia (ou "sumidouro") de uma porta voltada para a montante (UFP) ou em um modo de porta de função dupla (DRP). Um dispositivo de fonte PD comuta internamente os resistores de pull-up para duas linhas de controle (CC1 e CC2); um dispositivo de sumidouro PD se identifica por meio de resistores internos de pull-down.

As duas linhas CC são usadas simultaneamente para transmitir mensagens PD de até 356 bits de comprimento a uma taxa de clock de 300 quilohertz (kHz) (Figura 1). As mensagens curtas de controle coordenam o fluxo de mensagens entre dois parceiros de porta, enquanto as mensagens mais longas de dados são usadas para negociar a potência e controlar o autoteste integrado (BIST) ou transmitir conteúdo específico do OEM.

Figura 1: A estrutura da mensagem PD pode ter dinamicamente até 356 bits de comprimento. (Fonte da imagem: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Negociação de potência entre dispositivos PD

O USB PD 3.0 SPR define vários níveis fixos de tensão entre 5 e 20 volts e suporta apenas perfis estáticos de potência de até 100 watts. Usando a extensão PPS (fonte de alimentação programável), um dispositivo USB de sumidouro pode solicitar em tempo real uma tensão da fonte de alimentação USB entre 3 e 21 volts em incrementos de 20 milivolts (mV), de acordo com suas necessidades.

Dessa forma, o PPS simplifica os componentes eletrônicos do conversor de comutação no dispositivo móvel, reduz a dissipação de calor e acelera o carregamento ao otimizar o casamento de potência. O USB PD 3.1 define uma faixa de potência estendida (EPR) até um máximo de 240 watts e usa uma fonte de tensão ajustável (AVS) para regular a tensão do barramento em uma faixa mais alta, entre 15 e 48 volts.

Como 3 A já excede a capacidade de condução de corrente nos cabos USB comuns, a USB Implementers Forum (USB-IF) estipula que sejam usados cabos EMCA especiais. Eles apresentam isolação de cabos e seções transversais de fios mais espessos. Os chips com marcador eletrônico nos plugues dos cabos confirmam esses recursos reforçados do cabo usando o protocolo PD. Ao fazer isso, eles influenciam a negociação de energia entre o dispositivo fonte e o sumidouro.

A comunicação PD usa códigos K especiais para delinear as mensagens. A sequência especial de código K que indica o início de uma sequência é chamada de SOP (Start Of Packet). São definidas três sequências: SOP, SOP' e SOP'', para que um DFP (uma fonte de alimentação, como um adaptador de carregamento de rede PD) possa se comunicar como um iniciador com qualquer um dos dois chips marcadores nos conectores de cabo EMCA, bem como com o UFP (sumidouro de energia USB).

O fluxograma da Figura 2 mostra a troca de mensagens durante uma negociação de potência bem-sucedida entre dois dispositivos PD conectados por meio de um cabo EMCA.

Figura 2: É mostrada a negociação de potência bem-sucedida entre dois dispositivos USB PD em um cabo EMCA. Observação: Rqt = Request (solicitação); Ack = Acknowledge (confirmação). (Fonte da imagem: Cypress Semiconductor, via embedded.com)

Configurar em vez de programar

A complexidade do protocolo PD se traduz em um exercício de programação meticuloso para o desenvolvedor. Uma abordagem mais rápida é configurar um controlador USB PD pré-programado com recursos personalizados. Um exemplo de controlador é o FUSB15101MNTWG da onsemi. Esse é um controlador USB PD 3.1 altamente integrado que pode controlar o regulador de comutação do lado primário de um adaptador CA/CC por meio de um optoacoplador ou controlar diretamente um regulador de corrente de porta CC/CC.

Essa solução completa minimiza a complexidade do circuito por meio de periféricos de hardware otimizados, incluindo conversores digital-analógico e analógico-digital, sensor de temperatura NTC e acionadores de porta NMOS. O firmware de código aberto com uma interface de programação de aplicações (API) e o ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) baseado no Eclipse facilitam a programação.

O FUSB15101 integra um processador Arm® Cortex® M0+ de alta eficiência com uma interface UART e é compatível com a especificação PPS, regulando a tensão de saída de 3,3 a 21 volts. Ele oferece regulagem programável de tensão constante (CV) e corrente constante (CC) e compensa as perdas do cabo. Também estão disponíveis funções de proteção contra sobretensão, subtensão, sobrecorrente e temperatura excessiva, bem como diodos de proteção contra sobretensão nos pinos do conector USB-C. O controlador PD suporta alimentação V_CONN para os chips marcadores nos cabos EMCA, enquanto seus modos ocioso e de suspensão atendem aos requisitos do Certificado de Conformidade (CoC) e do Projeto de Experimentos (DOE).

As aplicações típicas incluem:

• Adaptador CA/CC compatível com USB PD (consulte a Aplicação 1)
• Portas CC/CC compatíveis com USB PD (consulte a Aplicação 2)

Aplicação 1: fonte de alimentação chaveada CA/CC com saída USB PD

Nesta aplicação, o controlador USB PD FUSB15101 controla o regulador de comutação flyback quase ressonante (QR) NCP1345Q02D1R2G no lado primário de uma fonte de alimentação chaveada CA/CC por meio de um optoacoplador. O NCP1345 opera com 9 a 38 volts a partir de um enrolamento auxiliar do transformador e, ao mesmo tempo, usa um segundo enrolamento auxiliar para gerar uma tensão quatro vezes maior a fim de fornecer tensão de chaveamento suficiente para um MOSFET em tensões de saída USB baixas de 3,3 volts. No lado secundário, o controlador NCP4307AASNT1G controla a retificação síncrona. A combinação dos três CIs resulta em uma fonte de alimentação com “mudança de marcha” que atinge consistentemente cerca de 90% de eficiência nos diferentes perfis de energia PD.

A Figura 3 mostra o diagrama do circuito principal de um carregador de rede USB-C PD 3.0 PPS com base nos três CIs que fornecem 65 watts (20 volts/3,25 A).

Figura 3: Nessa solução para carregadores USB PD de parede, o FUSB15101 controla o regulador de comutação flyback QR NCP1345 no lado primário da fonte de alimentação chaveada CA/CC por meio de um optoacoplador. (Fonte da imagem: onsemi)

Os programadores iniciam sua própria aplicação de fonte de alimentação USB PD usando a placa de avaliação NCP1342PD65WGEVB da onsemi, mostrada na Figura 4.

Figura 4: Usando a placa de avaliação do carregador USB-C PD 3.0 de parede NCP1342PD65WGEVB, os programadores podem começar imediatamente. (Fonte da imagem: onsemi)

A bobina de armazenamento dessa placa, na forma de um transformador RM8 compacto, fornece 60 watts (20 volts/3 A) de potência de saída. O regulador de comutação flyback quase ressonante NCP1342BMDCDD1R2G opera com 9 a 28 volts a partir de apenas um enrolamento auxiliar. Adequado para o desenvolvimento de conversores de energia fora de rede com alto desempenho e adaptadores USB PD, ele apresenta um rápido retorno de frequência (RFF) para melhorar a eficiência em toda a faixa de carga. Um capacitor de descarga X2 ativo integrado elimina a necessidade de resistores de descarga e permite um consumo de potência abaixo de 40 miliwatts (mW) sem carga.

Aplicação 2: controlador de corrente CC/CC para uma porta USB PD

Nesta aplicação, o controlador USB PD FUSB15101 aciona o controlador do conversor CC/CC buck/boost, elevador/abaixador de quatro estágios NCV81599MWTXG. Isso permite que uma porta USB-C, que de outra forma seria limitada a 15 watts, seja expandida para uma fonte de alimentação PD que fornece mais de 60 watts e é alimentada pela fonte de alimentação CC interna do dispositivo ou por uma bateria (Figura 5).

Figura 5: Nessa aplicação do controlador de corrente da porta CC/CC, o FUSB15101 controla diretamente o controlador do conversor CC/CC de quatro estágios NCV81599. (Fonte da imagem: onsemi)

Os desenvolvedores podem economizar tempo e começar a testar e programar imediatamente com o NCV81599 usando a placa de avaliação FUSB3307MPX-PPS-GEVB. Esse circuito regulador de corrente CC/CC converte uma porta USB em uma fonte de corrente PD 3.0 PPS, que fornece até 5 A em tensões de barramento de 3,3 a 21 volts (Figura 6). O circuito é capaz de detectar cabos com marcador eletrônico e pode ser operado de forma autônoma ou conectado a um equipamento de teste.

Figura 6: O FUSB3307MPX-PPS-GEVB é uma placa de avaliação para o NCV81599 que transforma as portas USB em uma fonte de alimentação PD 3.0 PPS. (Fonte da imagem: onsemi)

Uma fonte de alimentação CC ou uma bateria alimenta a entrada V_BAT da placa FUSB3307 com 4,5 a 32 volts. O circuito lida com regulagem de tensão constante (CV) ou corrente constante (CC) e tem proteção contra condições de sobretensão, subtensão, curto-circuito, temperatura excessiva e falhas no cabo.

Programação do FUSB15101

O firmware FUSB15010 é um driver do controlador PD Type-C altamente otimizado que oferece suporte ao processador Arm Cortex M0+ integrado. O firmware tem a flexibilidade de lidar com novas mensagens PD, bem como com fluxos de status adicionais do Type-C. O código é organizado de forma modular, separando o código-fonte do aplicativo, a camada de abstração de hardware, o código dependente da plataforma e as funções principais do USB Type-C PD.

As funções principais do PD são configuráveis por meio das opções de compilação do projeto ou modificando o arquivo de informações do fornecedor "vif_info.h". A base de código inclui um projeto de amostra do Eclipse que pode ser compilado usando o IDE, permitindo uma inicialização mais rápida para avaliar o controlador autônomo Type-C PD.

A Tabela 1 resume os perfis PD compatíveis com o FUSB15101; PDO é o objeto de fornecimento de energia.

Tabela 1: São mostrados os perfis PD compatíveis com o FUSB15101. (Fonte da tabela: onsemi)

Conforme mencionado, os parâmetros de um perfil de carregamento podem ser modificados com muita facilidade no arquivo "vif_info.h". O código a seguir mostra como alterar a corrente máxima no PDO 4 de 20 volts/3 A para 20 volts/3,25 A:

Valores atuais de PDO:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         300 // 3.00 A

Novos valores de PDO:

#define PORT_A_SRC_PDO_VOLTAGE_4                   400 // 20000 mV

#define PORT_A_SRC_PDO_MAX_CURRENT_4         325 // 3.25 A

Mais detalhes e instruções sobre a instalação do IDE, bem como a importação do firmware e a compilação do arquivo binário, podem ser encontrados no guia FUSB15101EVBSPG.

A instalação das ferramentas de programação e o procedimento da flash de uso único estão descritos no manual do usuário do UM70086-D. Um adaptador de programação e depuração Arm Cortex-M adequado para facilitar o desenvolvimento é o 8.08.91 J-LINK EDU MINI da Segger Microcontroller Systems.

Verificação da comunicação PD

Para verificar a comunicação entre dois dispositivos USB PD, os desenvolvedores podem usar o analisador de protocolo CY4500 da Infineon Technologies, que é compatível com as especificações USB PD 3.0 e USB-C. Ele realiza testes não invasivos e captura mensagens de protocolo precisas nas linhas CC. O software de análise EZ-PD associado lista detalhadamente todas as mensagens de um diálogo entre dois dispositivos USB PD e um cabo EMCA (Figura 7).

Figura 7: O software de análise EZ-PD rastreia o diálogo entre dois dispositivos USB PD nas linhas CC. (Fonte da imagem: Infineon Technologies)

Conclusão

Embora seja importante entender os conceitos básicos do protocolo USB PD para adaptar os projetos de modo a atender às crescentes necessidades de potência dos dispositivos do usuário final, trata-se de um protocolo complexo que pode exigir uma programação extensa. Para economizar tempo, os desenvolvedores podem usar controladores USB PD pré-programados e altamente integrados para aumentar a potência de 15 watts do USB-C para mais de 100 watts. Os carregadores USB CA/CC, bem como as portas USB CC/CC, podem ser aprimorados com funcionalidade PD personalizada, bastando configurar o controlador PD. A utilização de placas de avaliação e de um analisador de protocolo PD facilita o processo de desenvolvimento.