USB-C se torna padrão para fornecimento de energia

A necessidade de um adaptador de energia universal

À medida que mais dispositivos eletrônicos diminuem o consumo em favor da operação por bateria, a maneira como carregamos esses dispositivos se torna uma questão importante. Todos nós podemos lembrar a grande variedade de adaptadores de energia que tínhamos para nossos primeiros telefones celulares, alguns dos quais provavelmente ainda estão à espreita na parte de trás da sua gaveta. Além desses carregadores, precisávamos de adaptadores de energia para outros dispositivos, como barbeadores, câmeras e consoles de jogos portáteis. Sair em negócios ou em férias significava levar um saco de carregadores com você, porque era extremamente raro você poder usar o carregador para um dispositivo com outro.

Isso começou a mudar quando o conector USB micro-B surgiu como a escolha para muitos dispositivos de baixa potência, como smartphones, relógios inteligentes e termostatos domésticos inteligentes. No entanto, como ele pode fornecer apenas quantidades baixas de energia – até cerca de 5W -, não é adequado para dispositivos maiores.

USB-C está se tornando onipresente

Lançado pelo USB Implementers Forum (USB-IF) no final de 2014, o padrão do conector USB tipo C foi inovador em sua abordagem, usando dois conjuntos simétricos de 12 pinos de interface, que permitem a conexão do conector em ambos os lados. O novo padrão de conector foi disponibilizado na mesma época que a especificação da interface USB 3.1, embora o USB-C não precise necessariamente adotar a especificação 3.1 para comunicação. Além disso, o USB-C introduziu a capacidade de transferir outros sinais de dados – como os usados para DisplayPort, HDMI e Thunderbolt – além dos dados USB. A outra coisa importante é que o USB-C oferece um recurso de entrega de energia (Power Delivery – PD) que é independente do modo de dados USB. Ele fornece dois pinos dedicados (CC1 e CC2) para negociação com o host para fornecer até 20 VDC em até 5A (Figura 1).

Conseqüentemente, com sua capacidade de fornecimento de energia de 100 W, não é surpresa que o USB-C esteja rapidamente se tornando o conector de alimentação universal de escolha para uma ampla gama de eletrônicos de consumo, substituindo o conector micro-B e a multiplicidade de conectores cilíndricos.

Figura 1: O diagrama mostra a especificação de pinagem de um conector USB-C. (Fonte: USB Implementers Forum)

 

Como funciona a entrega de energia USB – Power Delivery(PD) 

A atual especificação USB-PD revisão 3.0 estipula quatro níveis de tensão nominal de 5V, 9V, 15V e 20V com a opção de programar completamente a tensão em etapas de 20mV. Além disso, a especificação oferece suporte para níveis de potência de saída de até 100W e a capacidade de fornecer carregamento de tensão constante ou corrente constante. Essa abordagem abre uma infinidade de novas oportunidades para carregar dispositivos, incluindo laptops e outros dispositivos de alta potência; no entanto, para se beneficiar do USB-C, a aplicação precisa incluir um microcontrolador, circuitos adicionais e pilhas de software.

Desafios técnicos com a substituição do conector

Ao implementar o USB-C PD como uma substituição do conector tipo “barrel”, a equipe de engenharia precisa conhecer totalmente a especificação do USB PD e garantir que o dispositivo atenda aos rigorosos requisitos de certificação do USB-IF em termos de conformidade e interoperabilidade. Um adaptador de energia compatível com USB-C é, por natureza, uma fonte de alimentação programável que requer comunicação para permitir que a carga solicite a tensão e a corrente desejadas. Como tal, qualquer projeto requer um microcontrolador e o firmware associado para operar uma pilha USB PD completa. A introdução de mais componentes em um design aumentará a lista de materiais geral (BOM) e exigirá inúmeras iterações para otimizar o circuito de energia e, finalmente, criar uma solução técnica e economicamente viável.

Projetando uma solução ideal

Em vez de tentar implementar o USB PD a partir do zero, os engenheiros podem usar uma solução pré-certificada USB-IF, como o Cypress EZ-PD™ Barrel Connector Replacement (BCR) Evaluation Kit (CY4533) (Figura 2). Ele pode ser usado para criar um protótipo fácil de como substituir um conector cilíndrico convencional por um conector USB-C sem a necessidade de desenvolver nenhum firmware (Figura 3). Essa abordagem de modernização oferece uma maneira extremamente rápida de alterar um produto existente para trabalhar com um adaptador de energia USB-C universal.

Figura 2: o kit de avaliação  Cypress EZ-PD Barrel Connector Replacement (BCR) mostrando os principais componentes e conexões. (Fonte: Cypress)
Figura 3: Etapas fáceis de integração do USB-C em um dispositivo final usando o Cypress EZ-PD BCR Eval Kit. (Fonte: Cypress)

O kit de avaliação  Cypress EZ-PD Barrel Connector Replacement (BCR) incorpora um controlador de fornecimento de energia Cypress CYPD3177, que os projetistas podem definir para os valores desejados de tensão e corrente de carga por combinações de escada de resistores sem a necessidade de criar qualquer firmware ou programação de dispositivo personalizada. Após a criação da prototipagem inicial, o Cypress fornece um design de referência fácil de usar, para que o CYPD3177, mais seis resistores, possam ser incorporados ao produto final junto com um receptáculo USB-C adequado, como o Conector Molex USB-C ( Figura 4). Esse conector faz parte da família de conectores e cabos USB tipo C compactos da Molex, que suportam velocidades de transferência de até 10 Gbps e têm capacidade total de fornecimento de energia de 100W. O conector é fabricado com um alojamento de molde de inserção de nylon de alta temperatura dentro de uma carcaça de metal e possui uma placa de conexão intermediária que fornece uma ação de acoplamento robusta e confiável.

Figura 4: O Receptáculo Molex USB-C suporta velocidades de transferência de até 10 Gbps, possui capacidade de fornecimento de energia de 100 W e reduz o tempo de carregamento da bateria em 64% sobre a classificação atual de micro-USB 2.0 de 1.8A. (Fonte: Molex)

Artigo escrito originalmente por Robert Huntley para Mouser Electronics: USB-C Becomes Standard For Power Delivery. Traduzido por Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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