USB Type-C permite un conector abatible con un factor de forma pequeño. Extiende las capacidades de energía a 15 W, lo que permite que la fuente administre dinámicamente la corriente de 0,5 A a 3 A. Las velocidades de datos se han incrementado a 10 Gbps.
Además, USB-C admite suministro de energía (PD) USB, un protocolo de un solo cable que permite a los dispositivos crear un contrato para entregar el nivel de energía óptimo para cada aplicación. Con PD, USB-C permite una potencia negociable de hasta 100 W.
En este artículo, veremos las características principales necesarias para tener un intercambio de energía USB-C con y sin PD. También echaremos un vistazo al MAX77958, que es un controlador PD USB-C recientemente lanzado por Maxim Integrated.

Intercambio de energía sin PD

Para tener una transferencia de energía a través de una conexión USB-C, primero debemos especificar la función de energía de los puertos. Un puerto puede ser una fuente, un receptor o una fuente de alimentación de doble función (DRP). Como sugiere el nombre, una fuente proporciona energía a través de la línea VBUS y un fregadero recibe energía de esta línea.
Un DRP puede actuar como fuente o como sumidero. Para especificar la función de potencia, una fuente levanta sus líneas CC con resistencias Rp mientras que un fregadero las baja con Rd. A continuación se muestra una conexión USB-C de fuente a receptor sin PD.


Diagrama de bloques de una fuente USB tipo C para sumidero sin suministro de energía. Imagen utilizada por cortesía de Richtek

Tenga en cuenta las resistencias pull-up y pull-down en los puertos de origen y sumidero.
También necesitamos especificar el nivel de potencia que puede proporcionar la fuente. Sin PD, VBUS tiene un voltaje fijo de 5 V. Sin embargo, dependiendo de la versión USB empleada, son posibles diferentes niveles de corriente, incluidos 500 mA, 900 mA, 1,5 A y 3 A. Por tanto, el nivel máximo de potencia sin DP es de 15 W.
Si bien la resistencia pull-down tiene un valor fijo, se emplean diferentes valores de resistencias pull-up para especificar el nivel de corriente que la fuente puede proporcionar. El disipador monitorea el voltaje de la línea CC para detectar el nivel de corriente anunciado por la fuente.
El USB-C proporciona los 5 V en la línea VBUS solo después de que se detecta una conexión de fuente a receptor (conexión en frío). Por lo tanto, como se muestra arriba, se requieren interruptores MOSFET para el riel de 5 V. Además, la fuente debe incluir un circuito de protección contra sobrecorriente para evitar que el sumidero extraiga una corriente superior a la que puede entregar la fuente.
Otra característica que debe incluirse es el mecanismo de descarga VBUS. Hay circunstancias en las que necesitamos descargar rápidamente la línea VBUS, p. Ej. cuando el cable está desconectado o el disipador solicita un voltaje más bajo en el VBUS (este último puede ser necesario al implementar USB-C con PD). La especificación USB-C requiere una línea VBUS de fuente a descarga dentro de 650 ms después de que se retira un disipador.
Tenga en cuenta que podemos tener aplicaciones USB-C no PD con puertos DRP. En este caso, el puerto debería poder conectar las líneas CC a resistencias pull-up o pull-down.

Intercambio de energía con PD

La entrega de energía USB (PD) es un protocolo de intercambio de energía diseñado para satisfacer las crecientes necesidades de las aplicaciones que consumen mucha energía. USB PD permite que el voltaje VBUS aumente hasta 20 V a una corriente máxima de 5 A (potencia máxima de 100 W). Se pueden proporcionar diferentes niveles de potencia basados ​​en los siguientes perfiles de potencia de la especificación PD.

Perfiles de DP
Perfiles de DP. Imagen utilizada por cortesía de Texas Instruments

Con PD, se admiten cuatro voltajes de bus diferentes, incluidos 5 V, 9 V, 15 V y 20 V. Hasta 60 W, la especificación PD establece una corriente máxima de 3 A y permite que la fuente aumente el nivel de potencia solo aumentando el voltaje VBUS. Sin embargo, más allá de los 60 W, la fuente puede aumentar el nivel de corriente en 5 A si es necesario.
Además, tenga en cuenta que la fuente debe poder entregar todos los voltajes y niveles de potencia por debajo de su nivel máximo de potencia. Por ejemplo, si una fuente anuncia una potencia máxima de 45 W, debería poder entregar 15 V a 3 A; 9 V a 3 A; y 5 V a 3 A. Esta regla se introduce para garantizar que una fuente de alta potencia también pueda soportar sumideros de menor potencia.
A continuación se muestra una conexión USB-C de fuente a receptor con PD.

Diagrama de bloques de una fuente USB tipo C para sumidero con suministro de energía
Diagrama de bloques de una fuente USB Tipo-C para sumidero con suministro de energía. Imagen utilizada por cortesía de Richtek

Se incorpora un regulador de voltaje para entregar los voltajes VBUS requeridos. Con PD, se transfieren niveles más altos de potencia a través de la línea VBUS. Esto requiere un interruptor MOSFET de mayor potencia con un controlador de puerta dedicado para la línea VBUS.
La especificación de DP requiere comunicación entre la fuente y el sumidero para elegir el nivel de potencia apropiado. Estas comunicaciones comienzan con una solicitud del receptor de las capacidades de energía de la fuente.
Una vez que la fuente proporciona una lista de sus niveles de potencia admitidos, el receptor solicita un nivel de potencia adecuado. Luego, la fuente ajusta el voltaje VBUS al valor solicitado y envía una señal de "suministro de energía listo" de regreso al fregadero. Todas estas comunicaciones de DP se realizan a través de las líneas CC como se muestra en el diagrama de bloques anterior.
Otra característica que debe incluirse en las aplicaciones de DP es la protección contra un corto entre las clavijas del conector. El USB-C con PD incorpora una mayor densidad de pines junto con niveles de potencia más altos. Como resultado, es más probable que ocurra un corto entre pines y puede tener consecuencias más catastróficas.
Para abordar este problema, muchos controladores PD USB emplean protección de cortocircuito a VBUS en ciertos pines de la interfaz.

El nuevo controlador PD USB de Maxim Integrated

Un ejemplo de un controlador PD USB que proporciona protección contra cortocircuitos entre los pines del conector en el MAX77958 recientemente lanzado por Maxim Integrated. Este controlador PD USB admite configuraciones de receptor, fuente y DRP. El firmware predeterminado del dispositivo es compatible con la versión 1.3 de USB-C, pero se puede actualizar para futuras revisiones de especificaciones. A continuación se muestra un diagrama de aplicación típico del MAX77958.

Diagrama de bloques simplificado del MAX77958
Diagrama de bloques simplificado del MAX77958. Imagen utilizada por cortesía de Maxim Integrated

El MAX77958 es compatible con PD 3.0 y admite acciones personalizables en eventos. Puede detectar la humedad y prevenir la corrosión en el conector USB-C. El nuevo dispositivo admite protección VBUS de alto voltaje (28 V) y protección contra cortocircuitos a VBUS en los pines CC (22 V). Emplea funciones de fuente de alimentación programable (PPS) y cambio de rol rápido (FRS).
El IC está disponible en un paquete de nivel de oblea (WLP) de 3,10 mm x 2,65 mm, paso de 0,5 mm.

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