Il comfort per il consumatore comporta grandi sfide per la progettazione

I vantaggi dello standard USB-C per i consumatori includono il trasferimento dati ad alta velocità, una maggiore potenza disponibile per la ricarica e l’alimentazione dei dispositivi, e la presenza di connettori a scorrimento, che rendono il collegamento più semplice che mai. In questo articolo tecnico, Toshiba Electronics Europe discuterà su come l'offrire comfort per il consumatore comporti sfide per i progettisti e considererà alcune delle soluzioni introdotte sul mercato. Lo standard USB Tipo-C fornisce uno schema di connessione compatto e versatile basato su un cavo bidirezionale e su un connettore scorrevole senza serraggio che si connette a host e periferiche, sostituendo i cavi e i vecchi connettori di tipo A e di tipo B. Le velocità di trasmissione dati pari a 10 Gbps sono equivalenti a quelle dello standard SuperSpeed USB 3.1 ed è incorporata la specifica USB Power Delivery (PD USB), che porta la capacità di potenza a 100W. Tuttavia, questi progressi richiedono un'attenta selezione dei componenti chiave per l’alimentazione e la commutazione dei dati e per la protezione delle interfacce.

Più potenza per caricare i dispositivi in modo semplice

USB PD consente ai dispositivi di agire come una sorgente o un utilizzatore di energia attraverso la connessione USB. Esso specifica i profili a 10W, 18W, 36W, 60W e 100W che operano a tensioni comprese tra 5V e 20V con correnti fino a 5A. I dispositivi che richiedono alimentazione negoziano per ottenerla dopo che la connessione si è stabilita nella modalità predefinita a 5V/2A, garantendo la sicurezza dei vecchi dispositivi USB 2.0. USB PD permette una carica più veloce delle periferiche e consente di alimentare dispositivi quali smartphone, tablet e computer portatili tramite la connessione USB, riducendo la necessità di adattatori per l’alimentazione da rete elettrica. Un monitor di rete può alimentare un computer portatile tramite una porta USB-C, può agire come hub per periferiche quali dischi rigidi esterni e può anche ricevere e visualizzare informazioni video dal computer portatile. In questo scenario, solo il monitor richiede un adattatore di alimentazione AC/DC, eliminando costi e ingombro dalla configurazione.

Le specifiche USB PD contengono i profili di alimentazione fino a 100W

Flessibilità e dati ad alta velocità

Nello standard USB-C, è definita una singola modalità di spina e presa contenente 24 pin con passo di 0,5 mm in un fattore di forma di 8,4 x 2,6 mm, il che significa che possono essere utilizzati cavi non direzionali, i quali permettono il flusso dell’alimentazione e dei dati in entrambe le direzioni. La spina USB-C è non-polarizzata e può essere inserita in entrambe le direzioni. Inoltre, l'interfaccia di livello fisico per USB-C contiene due coppie di dati (D + D-), mantenendo la compatibilità all'indietro con USB 2.0, supportando al contempo velocità da 10Gbps per USB 3.0 e USB 3.1 e fornendo una capacità pari a 20Gbps per il futuro. Un cavo USB-C può ospitare connettori USB legacy di Tipo-A/B, Mini-USB e Micro-USB tramite un adattatore, essendo il nuovo standard elettricamente compatibile con USB 2.0, pur rispondendo ai requisiti delle specifiche USB 3.1 e PD. Ulteriori pin per il Canale di Configurazione (CC) determinano l’orientamento del cavo e consentono la negoziazione secondo le specifiche PD. Con modalità alternative, standard quali DisplayPort, HDMI, MHL, Audio e Thunderbolt possono essere tutti supportati tramite connessione USB-C, consentendo l’uso di un singolo tipo di cavo per diversi scopi.

Sfide di progettazione relative allo standard USB-C

Vi sono tre principali aree di miglioramento all'interno dello standard USB-C, ciascuna dei quali porta con sé delle sfide progettuali:

  • L'inclusione delle specifiche USB PD richiede interruttori di alimentazione in grado di sopportare almeno 20V, pur presentando una bassa resistenza per minimizzare la perdita di potenza e il carico termico.
  • I transceiver ad alta velocità sono sensibili alle scariche elettrostatiche (ESD), che richiedono una protezione esterna sulle linee dati, spesso realizzata con diodi di soppressione della tensione transitoria (TVS). Tuttavia, la velocità dati estrema di 10Gbps comporta la necessità di un compromesso tra la capacità del terminale TVS che evita la distorsione dei dati e il livello di protezione ESD disponibile.
  • La nuova interfaccia reversibile del connettore richiede dei dispositivi di commutazione per garantire che il flusso dei dati venga mappato in base all'inserimento del connettore, pur continuando la trasmissione dati ad alta velocità.

Una semplice soluzione di interruttore di alimentazione di tipo dual-MOSFET

Come ovviare alla sfida della fornitura dell’alimentazione

Un interruttore di alimentazione dual-MOSFET semplice può essere implementato con MOSFET a canale P come i dispositivi della serie SSM6J50xNU di Toshiba con VGSS da + 20 /-25V, eliminando la necessità di un IC driver. I dispositivi possono essere utilizzati in qualsiasi profilo di tipo USB PD e offrono una RDS(on) di appena 19mΩ, assicurando il funzionamento efficiente con una generazione di calore e una caduta di tensione minime. In alternativa, è possibile utilizzare un interruttore di carico integrato come il dispositivo TCK30xG 28V di Toshiba. Si tratta di una soluzione molto compatta con funzionalità di protezione incorporate, tra cui l’arresto termico integrato, il blocco per sottotensione, la protezione da sovracorrente regolabile e la protezione contro le sovratensioni. Oltre ad offrire una bassa resistenza di on dell'IC interruttore IC, sono integrate funzionalità molto utili per le applicazioni USB-C. Queste includono la protezione regolabile da sovracorrenti fino a 3.0A (impostata tramite un singolo resistore esterno) e lo slew rate regolabile (determinato da un condensatore esterno). Questa combinazione di funzionalità rende la famiglia TCK30xG la soluzione più compatta per la ricarica USB in base al Profilo 3.

Soluzione altamente efficiente di alimentazione USB di Tipo-C utilizzando un controllore e MOSFET discreti

La soluzione di alimentazione più efficiente consiste nell'utilizzare MOSFET a canale N discreti con un IC driver esterno. La famiglia di IC driver TCK40xG di Toshiba s può sopportare 40V ed è dotata di una pompa di carica integrata per fornire la tensione di pilotaggio del gate per un MOSFET esterno a canale N. Quest’ultimo è in grado di offrire il valore di RDS(on) più basso in un package di piccole dimensioni, come l’SSM6K513NU, che presenta solo 8mΩ da specifica in un package da 2x2mm. Nei test, questa configurazione ha operato a una temperatura più bassa di 16°C rispetto a quella di un approccio di un concorrente durante la simulazione del Profilo 5 (100W @ 5A). In termini di spazio, la soluzione costituita dal MOSFET duale a canale N più il dispositivo TCK40xG richiede 15mm2, mentre il dual MOSFET a canale P pilotato dall'uscita a drain flottante dell'IC caricabatterie richiede 10mm2. La soluzione integrata TCK35xG è significativamente più piccola con 2,3mm2, ma offre prestazioni decisamente ridotte.

Protezione e soluzioni di commutazione

Oltre ai dispositivi per soluzioni efficienti di commutazione di potenza, le linee di alimentazione richiedono anche una protezione, che può essere realizzata con la nuova serie di diodi TVS DF2SxxP di Toshiba. I diodi in questa linea di prodotti sono in grado di proteggere le linee VBUS da sovratensioni, assicurando la protezione contro lo scarico del contatto fino a ±30kV in un package compatto, e supporta tensioni VBUS comprese tra 5-20V, il che li rende un’opzione ideale per tutti i profili. Inoltre, per la protezione delle linee dati, è importante soddisfare le specifiche IEC-61000-4-2, senza al contempo distorcere eccessivamente i segnali dati. Ciò può essere ottenuto tramite diodi TVS come il dispositivo singolo DF2B5M4SL (da 0,2pF) o la matrice di diodi DF5G5M4N, che può fornire la protezione per due coppie di segnali (RX1+/- RX1, TX1+/TX1-). Un bus switch come il TC7PC13212MT è ideale per commutare il percorso dati conformemente all’orientamento del connettore e manterrà la piena integrità dei dati fino a 10 Gbps.

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