Se aproximan grandes cambios a una gran velocidad para los dispositivos con compatibilidad USB, impulsados por nuevas normas: USB 3.1, el conector USB tipo C y la especificación USB Power Delivery (USB PD). Desde lo primeros anuncios, en 2012 y 2013, los proveedores de circuitos integrados y los OEM por igual trabajan rápidamente y los productos que incorporan las nuevas capacidades están empezando a hacer su aparición.
Pero no todo es dulzura y luz: como veremos, las nuevas especificaciones elevan considerablemente el estándar para los sistemas de suministro de energía.
Breve resumen de las nuevas normas
¿Cuáles son los principales cambios en las nuevas normas? Aquí puede encontrar un breve resumen.
La última revisión importante del USB-USB 3.0 elevó la tasa de datos de USB 2.0 de 480 Mbps a 4,8 Gbps, mejoró la utilización del bus con funcionamiento síncrono e introdujo la operación de dúplex completo. Además, aumentó la capacidad de potencia de 500 mA a 900 mA. USB 3.1 se basa en USB 3.0, pero aumenta el rango de datos a 10 Gbps.
El USB tipo C es un conector de factor de forma reversible que reemplazará a la actual gama de conectores de distintos tamaños Tipo A y Tipo B. Los controladores USB Tipo C no sólo deben determinar la orientación del conector, deben identificar qué protocolo (USB 2.0, 3.0 o 3.1) es compatible con el dispositivo recién conectado.
En comparación con la fuente de alimentación de solo 5 V de las conexiones USB tradicionales, USB PD define varios perfiles de energía que permiten a los dispositivos solicitar mayores corrientes y tensiones de suministro que antes. Por ejemplo, un perfil permite a los dispositivos solicitar hasta 2 A a 5 V (para un consumo de energía de hasta 10 W), otro perfil permite que un dispositivo solicite hasta 5 A a 12 V (60 W) o 20 V (100 W).
USB PD usa un protocolo de comunicación de un solo cable, que se inicia después de que se detecta la inserción de un enchufe USB Tipo C. USB PD utiliza la negociación en tiempo real entre los sistemas para determinar qué dispositivo es el proveedor (el puerto con orientación descendente (DFP) en el lenguaje USB PD) y qué dispositivo es el consumidor o puerto con orientación ascendente (UFP). Esta especificación le permite a los dispositivos invertir sus funciones después de una mayor negociación en caso de que las condiciones cambien más adelante.
Luego, el DFP u el UFP establecen mutuamente un programa de entrega de energía o "contrato", el que permite que ambos dispositivos funcionen a sus niveles de energía óptimos. Los clientes solo solicitan la energía que necesitan, mientras que los proveedores solo otorgan la energía disponible.
Figura 1: ecosistema de USB Tipo C. (Fuente: NXP Semiconductors)
Los problemas de diseño de energía para cumplir con las nuevas normas
En conjunto, estas normas prometen hacer la vida de los usuarios de USB mucho más fácil, mientras que, al mismo tiempo, complican la vida de los diseñadores de sistemas de energía. Existen dos problemas principales para los diseños de energía que cambian desde USB 2.0:
• En el ámbito de los sistemas, las nuevas especificaciones USB requieren un rediseño completo de la antigua arquitectura de administración de potencia USB 2.0. El nuevo diseño no solo debe adaptarse al USB Tipo C y su conector reversible, la energía puede fluir en ambas direcciones, los dispositivos pueden cambiar de función durante el funcionamiento del sistema y los niveles de energía que se usan son considerablemente más altos: hasta 5 A a 20 V (100 W) en comparación con los 500 mA a 5 V (2,5 W) del USB 2.0.
• A nivel de los circuitos, el modo SuperSpeed+ de USB 3.1, con su tasa de transferencia de datos de 10 Gbps, requiere que cualquier capacidad adicional se mantenga a un mínimo absoluto, lo que supone graves restricciones para los dispositivos de protección ESD. Las mayores tensiones y corrientes también fuerzan cambios en las especificaciones de los dispositivos de protección.
Problemas de diseño en el ámbito de los sistemas
En el ámbito de los sistemas, el dispositivo USB PD es responsable de muchas más funciones que el simple controlador pre-USB PD, que solamente debe cumplir con las normas de energía USB mediante el suministro de la tensión y la energía especificadas.
Como se mencionó anteriormente, un controlador USB PD debe llevar a cabo una compleja serie de operaciones. Primero, debe detectar cuando se conecta un cable en el conector de Tipo C y determinar su orientación. Luego, negocia un contrato de energía USB PD con el otro dispositivo a través de las líneas de CC para determinar la funcionalidad y los niveles de energía adecuados utilizando la codificación marcada de fase doble (BMC) y el protocolo de capa física (PHY).
Cuando finalizan las negociaciones, el controlador habilita el circuito de alimentación adecuada y configura los ajustes del modo alternativo USB PD, que permiten el uso concomitante de otros protocolos como DisplayPort. En cualquier momento durante la operación, el contrato se puede renegociar si las condiciones cambian, por lo que el controlador debe responder a las nuevas entradas según corresponda.
Controladores USPD de muestra
Este nivel de funcionalidad exige un complejo dispositivo de sistema en chip (SoC) de señal mixta, que, por lo general, incluye un núcleo microcontrolador y un ASIC analógico. Los dispositivos normales usan FET internos para entregas de energía de 5 V y 12 V y FET de energía externos si se requiere 20 V, 5 A .
TPS65982 de Texas Instruments es un controlador USB Tipo C y USB PD, que incluye seis bloques principales: un enchufe de cable y bloque de orientación, un USB PD PHY, un administrador de políticas de puerto basado en ARM completamente configurable, un bloque de administración de potencia; trayectos de potencia con FET internos 3 A y de 20 V/ 5 A opcionales, y una mezcla de alta velocidad integrada para la funcionalidad del modo alternativo mejorado. El TPS65986 es un dispositivo similar sin la capacidad de FET externo. Las aplicaciones objetivo incluyen computadoras portátiles, tablets y ultrabooks, sistemas de acoplamiento y dispositivos alimentados por bus compatibles con USB PD, así como otros protocolos a través del modo alternativo PD USB, como DisplayPort, Thunderbolt, y HDMI.
Figura 2: interfaz de alimentación del TPS65982 en una aplicación de cargador con capacidad de 20 V. (Fuente: Texas Instruments)
El CCG1 de Cypress Semiconductor incorpora un procesador ARM de 48 Mhz Cortex-M0 de 32 bits con 32 KB de Flash y 4 KB de SRAM, dos bloques TCPWM de 16 bits configurables y un bloque de comunicación en serie (SCB) con I2C (maestro o esclavo), SPI (maestro o esclavo) o capacidad UART. Entre otras características se encuentran transceptores de Tipo C, un ADC de 12 bits y 1 Msps para supervisión de tensión VBUS y corriente y hasta 30 GPIO.
NXP Semiconductor también cuenta con una cartera de productos USB tipo C, entre los que se encuentra una solución USB tipo C completa, que cuenta con la autenticación para validar un dispositivo y determinar si la funcionalidad específica de ese dispositivo debe estar habilitada. Esto tiene una serie de beneficios que incluyen una mayor duración de la batería y la prevención de riesgos de seguridad o daños al equipo debido a materiales de baja calidad o productos no compatibles.
Entre otros dispositivos NXP se encuentran MCU basados en ARM con firmware USB PD, acondicionadores de señal para mejorar las distancias de transmisión y reducir la tasa de error de bit (BER), interruptores de potencia de canal N que aíslan automáticamente un sistema de una carga o fuente con fallas.
Protección ESD para USB 3.1 y USB PD
USB 3.1 usa las mismas líneas de señales diferenciales que USB 3.0, pero duplica la tasa de transferencia de datos a 10 Gbps. A medida que las velocidades aumentan, es vital que la interfaz mantenga la adaptación de impedancia en todo el recorrido de la señal. Cualquier diferencia de impedancia causará reflexiones sobre la línea, lo que aumentará la vibración y podría comprometer la calidad de la señal, por lo que los sistemas USB 3.1 requieren límites de capacitancia estrictos para todos los componentes externos en la ruta de señal.
Aunque los dispositivos de protección ESD añaden capacitancia, son un componente crítico. La migración a geometrías de proceso más pequeñas podría tener como resultado un aumento de la velocidad, pero también aumentaría la susceptibilidad a los pulsos de ESD. No sólo eso, se usa un puerto USB en un dispositivo de consumo, como una computadora portátil o un teléfono celular, en un ambiente ESD no controlado. Olvide las correas de sujeción a la muñeca o las superficies de mesas con conexión a tierra. En su lugar, es bastante probable que los clientes toquen accidentalmente un pin conector durante la conexión o la desconexión de un enchufe: justo después de caminar sobre una alfombra de nylon o acariciar al gato.
Con las arquitecturas de dispositivos tradicionales, a medida que los niveles de protección ESD aumentan también lo hace la capacitancia del dispositivo, lo que obliga a los diseñadores a elegir entre la integridad de la señal y la Protección ESD. Los diodos semiconductores tienen muchas características deseables, tales como tensiones de sujeción bajas, tiempo de activación rápido y una mayor confiabilidad, pero hasta hace poco tenían mayor capacitancia que otras arquitecturas.
Ahora, sin embargo, los fabricantes están introduciendo dispositivos de protección a base de diodos, con muy baja capacitancia, específicamente para aplicaciones de alta velocidad. El PUSB3FR4 de NXP Semiconductor, por ejemplo, está diseñado para portaje las interfaces de alta velocidad, como USB 3.1 SuperSpeed a 10 Gbps. El dispositivo incluye cuatro estructuras de diodos de alto nivel de Protección ESD y se encapsula en un paquete pequeño de plástico sin plomo DFN2510A-10 (SOT1176-1). Todas las líneas de señal están protegidas por una configuración de diodo especial que ofrece una capacitancia de línea ultra baja, de 0,29 pF. Los diodos utilizan una estructura de retroceso con el fin de brindar protección a los componentes de bajada de las tensiones de ESD de hasta ± 15kV de contacto que superan la norma IEC 61000-4-2, nivel 4.
El PUSB3FR6, similar, con seis dispositivos ESD, ofrece protección para todo el sistema para la combinación USB 2.0 y USB 3.1, lo que es una característica del conector USB Tipo C.
Figura 3: respuesta de sujeción del ESD7008 al pulso de contacto ESD IEC61000-4-2 +/-8 kV. (Fuente: ON Semiconductor)
ON Semiconductor también es activo en este mercado. Su ESD7008 ofrece protección ESD para cuatro pares diferenciales (8 líneas) en un paquete UDFN18. El paquete de estilo de flujo continuo permite un diseño de PCB fácil y longitudes de rastro emparejado necesarias para mantener una impedancia constante. El dispositivo cuenta con una capacitancia típica de 0,12 pF a tierra.
Conclusión
En conjunto, USB Tipo C, USB 3.1 y USB PD son el futuro del USB. Los aspectos innovadores del sistema de completo (el conector reversible, el aumento de la velocidad y el nuevo formato PD) ciertamente plantean desafíos de diseño para los diseñadores de sistemas de energía, pero ya se han introducido las primeras soluciones y muchas otras están en las etapas finales de desarrollo.