De grands changements vont apparaître très prochainement pour les périphériques compatibles USB, induits par trois nouvelles normes : USB 3.1, le raccordement USB de type C, et la spécification USB Power Delivery (USB PD, livraison de puissance). Depuis les premières annonces en 2012 et 2013, les fournisseurs tout comme les fabricants de circuits intégrés ont travaillé intensément sur ces sujets, des produits intégrant les nouvelles fonctionnalités commencent à faire leur apparition.
Mais tout n'est pas rose : comme nous le verrons, les nouvelles spécifications placent la barre très haut pour le système d'alimentation en énergie.
Bref résumé des nouvelles normes
Quels sont les principales modifications issues des nouvelles normes ? Voici un très bref résumé.
La dernière révision majeure de la norme USB, l'USB 3.0 a relevé le taux des données de l'USB 2.0 de 480 Mbit/s à 4,8 Gbit/s, a amélioré l'utilisation du bus avec un fonctionnement synchrone, et a introduit le mode duplex intégral. En outre, elle a augmenté l'intensité de l'alimentation de 500 mA à 900 mA. USB 3.1 se fonde sur l'USB 3.0, mais augmente le taux des données à 10 Gbit/s.
L'USB Type C est un raccordement de facteur forme réversible qui va remplacer la variété actuelle des raccordements de type A et de type B de tailles différentes. Les contrôleurs USB de type C doivent non seulement déterminer l'orientation du raccordement, mais doivent identifier quel protocole (USB 2.0, 3.0 ou 3.1) est pris en charge par le nouveau périphérique connecté.
Contrairement à la seule alimentation 5 V des connexions USB traditionnelles, l'USB PD définit plusieurs profils de puissance qui permettent aux appareils de demander des courants et des tensions d'alimentation plus élevés que ce qui était possible auparavant. Par exemple, un profil permet aux périphériques de demander jusqu'à 2 A à 5 V (pour une consommation de puissance allant jusqu'à 10 W) ; un autre profil permet à un périphérique de demander jusqu'à 5 A, soit à 12 V (60 W) ou 20 V (100 W).
USB PD utilise un protocole de communication à fil unique qui commence après détection de l'insertion d'une prise USB de type C. USB PD utilise la négociation en temps réel entre les systèmes pour déterminer quel périphérique est le fournisseur - le port aval (DFP, downstream-facing port) en langage USB PD - et quel périphérique est le consommateur, ou port amont (UFP, upstream-facing port). La spécification permet aux appareils d'inverser les rôles après une négociation supplémentaire si les conditions devaient changer ultérieurement.
DFP et UFP établissent alors conjointement un projet de livraison de puissance ou « contrat » ; qui permet aux deux appareils de fonctionner à leurs niveau optimal de puissance. Les appareils consommateurs ne demanderont que la puissance dont ils ont besoin, alors que les fournisseurs accorderont seulement la puissance disponible.
Figure 1 : écosystème USB Type C. (Source : NXP Semiconductors)
Problèmes de conception d'alimentation pour respecter les nouvelles normes
Ensemble, ces normes promettent de rendre la vie des utilisateurs USB beaucoup plus facile, tandis que dans le même temps elles compliquent la vie des concepteurs de systèmes d'alimentation électrique. Il y a deux principaux problèmes auxquels sont confrontés les conceptions d'alimentation qui migrent à cette norme à partir d'USB 2.0 :
• Au niveau du système, les nouvelles spécifications USB nécessitent une refonte complète de l'architecture ancienne USB 2.0 de gestion de la puissance. Non seulement la nouvelle conception doit accueillir l'USB Type C et son raccordement réversible, l'alimentation électrique peut circuler dans les deux sens, les appareils peuvent inverser leur fonction pendant le fonctionnement du système, et les niveaux de puissance utilisés sont considérablement plus élevés : jusqu'à 5 A à 20 V (100 W) contre 500 mA du USB 2.0 à 5 V (2,5 W).
• Au niveau du circuit, le mode USB 3.1 SuperSpeed, avec son taux de données de 10 Gbit/s, exige que toute capacité supplémentaire soit maintenue à un minimum absolu, ce qui impose des restrictions sévères sur les dispositifs de protection ESD. La tension et le courant plus élevés obligent également à apporter des modifications aux spécifications de l'appareil de protection.
Problèmes de conception de niveau système
Au niveau du système, l'appareil USB PD est responsable de beaucoup plus de fonctions que le contrôleur USB simple préalable à la version PD, qui n'a simplement qu'à se conformer aux normes d'alimentation USB en fournissant la tension et la puissance spécifiée.
Comme mentionné ci-dessus, un contrôleur USB PD doit effectuer une série complexe d'opérations. Premièrement, il doit détecter quand un câble est branché sur le raccordement de type C et déterminer son orientation. Ensuite, il négocie un contrat d'alimentation électrique USB PD avec l'autre appareil via les lignes CC pour déterminer les niveaux de fonctionnalités et de puissance appropriés en utilisant le câble USB PD bi-phase marqué du codage (BMC) et le protocole de couche physique (PHY).
Une fois les négociations terminées, le contrôleur active le chemin d'alimentation approprié et configure les paramètres USB PD Autre mode, qui permettent l'utilisation concomitante d'autres protocoles tels que DisplayPort. A tout moment pendant le fonctionnement, le contrat peut être renégocié si les conditions changent et que le contrôleur doive répondre à de nouvelles entrées, le cas échéant.
Exemple de contrôleurs USPD
Ce niveau de fonctionnalité nécessite un appareil à signal mixte Système-sur-puce (SoC, System-on-Chip) complexe, comprenant généralement un cœur de microcontrôleur et un ASIC analogique. Les dispositifs typiques utilisent des FET internes pour la délivrance d'alimentation électrique 5 V et 12 V et des FET d'alimentations externes si 20 V, 5 A est nécessaire.
Le TPS65982 de Texas Instruments est un contrôleur USB de type C et USB PD, qui comprend six grands blocs - une prise de câble et bloc d'orientation; un PHY USB PD; un ARM basé sur le cœur, un gestionnaire de la politique de port entièrement configurable ; un bloc de gestion de la puissance ; des chemins de puissance avec 3 A internes et FET 20 V/5 A en option; et un mélange haute vitesse intégré pour la fonctionnalité du mode alterné avancé. Le TPS65986 est un appareil similaire, sans la fonctionnalité de FET externe. Les applications cibles comprennent des ordinateurs portables, des tablettes et ultrabooks, des systèmes d'accueil, et des appareils alimentés par bus activés USB PD, ainsi que d'autres protocoles via USB PD Autre mode tels que DisplayPort, Thunderbolt, et HDMI.
Figure 2 : interface d'alimentation électrique TPS65982 au sein d'une application de chargeur avec fonctionnalité 20 V. (Source : Texas Instruments)
Le CCG1 de Cypress Semiconductor incorpore un processeur M0 Cortex ARM 48 MHz 32 bits avec 32 Ko de Flash et 4 Ko de SRAM, deux blocs TCPWM configurables 16 bits, et un bloc de communication série (SCB) avec I2C (maître ou esclave), SPI (maître ou esclave), ou capacité de UART. Les autres caractéristiques comprennent des transmetteurs de type C intégrés, un 12-bits, 1 Msps-ADC pour la tension VBUS et la surveillance du courant, et jusqu'à 30 GPIO.
NXP Semiconductor dispose également d'un portefeuille de produits de type USB C, y compris une solution complète USB de type C, qui dispose de l'authentification pour valider un appareil et déterminer si des fonctionnalités spécifiques de ce dernier doivent être activées. Cela comporte un certain nombre d'avantages, notamment une durée de vie accrue de la batterie et la prévention des risques de sécurité ou des dommages matériels causés par des matériaux de piètre qualité ou des produits non conformes.
D'autres appareils NXP incluent des MCU à base d'ARM avec firmware USB PD ; des conditionneurs de signaux pour améliorer les distances de transmission et réduire le taux d'erreur de bit (BER) ; et des interrupteurs d'alimentation à canal N qui isolent automatiquement un système d'une source ou charge défectueuse.
Protection ESD pour USB 3.1 et USB PD
USB 3.1 utilise les mêmes signalisations différentielles que l'USB 3.0, mais double le taux des données jusqu'à 10 Gbit/s. Comme les vitesses augmentent, il est vital pour l'interface de maintenir l'adaptation d'impédance à travers le chemin du signal. Toute disparité d'impédance va provoquer des réflexions sur la ligne, ce qui augmentera la gigue et pourra potentiellement compromettre la qualité du signal, de sorte que les systèmes USB 3.1 nécessitent des limites de capacité strictes pour tous les composants externes du chemin du signal.
Bien que les appareils de protection ESD ajoutent de la capacité, ils constituent une composante essentielle. Migrer vers de plus petites géométries de processus pourrait augmenter la vitesse, mais augmenterait aussi la sensibilité aux impulsions ESD. Qui plus est, un port USB sur un appareil grand public comme un ordinateur portable ou téléphone mobile est utilisé dans un environnement ESD non contrôlé. Oubliez les bracelets de mise à la terre ou les surfaces de table à la terre. Au lieu de cela, les consommateurs sont tout à fait susceptibles de toucher accidentellement une broche de raccordement lors de la connexion et de la déconnexion d'une prise - juste après avoir marché sur un tapis de nylon ou avoir caressé le chat !
Avec les architectures traditionnelles d'appareils, lorsque les niveaux de protection ESD augmentent, il en va de même de la capacité de l'appareil, ce qui oblige les concepteurs à choisir entre l'intégrité du signal et la protection ESD. Les diodes semi-conductrices ont de nombreuses caractéristiques intéressantes, telles que de faibles tensions de verrouillage, des mises sous tension rapides, et une meilleure fiabilité, mais jusqu'à récemment, ont eu des capacités plus élevées que d'autres architectures.
Maintenant, cependant, les fabricants mettent en place des dispositifs de protection à base de diodes à très faible capacité spécifiquement pour les applications à haute vitesse. Le PUSB3FR4 de NXP Semiconductor, par exemple, est conçu pour protéger les interfaces haut débit telles que l'USB 3.1 SuperSpeed à 10 Gbit/s. L'appareil comprend quatre structures de diodes de protection ESD de haut niveau et est encapsulé dans un petit emballage en plastique sans plomb DFN2510A-10 (SOT 1176-1). Toutes les lignes de signaux sont protégées par une configuration particulière de diode offrant une capacité ultra-faible de ligne de 0,29 pF. Les diodes utilisent une structure de snap-back afin d'assurer la protection des composants en aval des tensions de décharges électrostatiques jusqu'à un contact de ± 15 kV dépassant la norme IEC 61000-4-2, niveau 4.
Le PUSB3FR6 similaire, avec six dispositifs ESD, offre une protection de niveau système pour la combinaison USB 2.0 et USB 3.1, qui est une caractéristique du raccordement USB de type C.
Figure 3 : réponse de verrouillage à l'impulsion IEC61000-4-2 d'ESD de contact de+/- 8 kV de l'ESD7008. (Source : ON Semiconductor)
ON Semiconductor est également actif sur ce marché. Son ESD7008 offre une protection ESD pour quatre paires différentielles (8 lignes) en un paquet UDFN18. Le paquet de style écoulement facilite la mise en page PCB et les longueurs de traces adaptées nécessaires pour maintenir l'impédance constante. L'appareil dispose d'une capacité typique à la terre de 0,12 pF.
Conclusion
La combinaison des normes USB type C, USB 3.1 et USB PD est l'avenir de la technologie USB. Les aspects innovants du système complet, comme le raccordement réversible, la vitesse accrue et le nouveau format PD, posent certainement des défis de conception aux concepteurs de systèmes d'alimentation électrique, mais de premières solutions ont déjà été introduites, et beaucoup d'autres sont dans les dernières étapes de développement.