Grandi cambiamenti avverranno molto presto per i dispositivi abilitati per USB, grazie a tre nuovi standard: USB 3.1, il connettore USB di tipo C e la specifica di erogazione dell'alimentazione USB (USB PD). Dai primi annunci nel 2012 e nel 2013, i fornitori di circuiti integrati e gli OEM lavorano alacremente a queste nuove tecnologie e i prodotti che integrano le nuove funzionalità iniziano a fare la loro apparizione sul mercato.
Tuttavia, queste innovazioni comportano anche nuove problematiche: come vedremo, le nuove specifiche innalzano considerevolmente il livello per il sistema di erogazione dell'alimentazione.
Breve riepilogo dei nuovi standard
Quali sono i cambiamenti principali nei nuovi standard? Di seguito è disponibile un breve riepilogo.
L'ultima revisione di grande portata della tecnologia USB, USB 3.0, ha innalzato la velocità di trasmissione dei dati di USB 2.0 da 480 Mbps a 4,8 Gbps, ha migliorato l'utilizzo di bus con operazioni sincrone, ha introdotto la comunicazione full-duplex e ha aumentato la capacità di alimentazione da 500 mA a 900 mA. USB 3.1 si basa sulle funzionalità di USB 3.0, ma aumenta la velocità di trasmissione dei dati a 10 Gbps.
USB di tipo C è un connettore del fattore di forma reversibile che sostituirà l'attuale assortimento di connettori di tipo A e B di diverse dimensioni. I controller USB di tipo C non devono determinare solo l'orientamento del connettore, bensì anche identificare quale protocollo (USB 2.0, 3.0 o 3.1) è supportato dal dispositivo collegato.
A differenza dell'alimentatore limitato a 5 V delle connessioni USB tradizionali, USB PD definisce diversi profili di alimentazione che consentono ai dispositivi di richiedere correnti e tensioni di alimentazione superiori rispetto a quanto possibile in precedenza. Ad esempio, un profilo consente ai dispositivi di richiedere fino a 2 A a 5 V (per un consumo energetico fino a 10 W), un altro fino a 5 A a 12 V (60 W) o 20 V (100 W).
USB PD utilizza un protocollo di comunicazione a cavo singolo che inizia dopo il rilevamento dell'inserimento di una presa USB di tipo C. USB PD utilizza la negoziazione in tempo reale tra i sistemi per determinare quale dispositivo è il fornitore, ovvero la porta di commutazione downstream (DFP, Downstream Facing Port) in linguaggio USB PD, e quale dispositivo è il consumatore, o porta di commutazione upstream (UFP, Upstream Facing Port). Se le condizioni dovessero cambiare successivamente, la specifica consente ai dispositivi di invertire i ruoli dopo una ulteriore negoziazione.
La DFP e la UFP stabiliscono quindi reciprocamente uno schema di erogazione dell'alimentazione, o "contratto"; ciò consente a entrambi i dispositivi di operare ai rispettivi livelli di alimentazione ottimali. I consumatori richiedono solo l'energia di cui hanno bisogno, mentre i fornitori concedono solo l'energia disponibile.
Figura 1: ecosistema USB di tipo C. (Fonte: NXP Semiconductors)
Problemi di progettazione dell'alimentazione per soddisfare i nuovi standard
Insieme, questi standard promettono di rendere molto più facile la vita degli utenti USB e, al contempo, complicare quella dei progettisti dei sistemi di alimentazione i quali, per la transizione da USB 2.0, devono affrontare due problemi principali:
• A livello di sistema, le nuove specifiche USB richiedono una riprogettazione completa dell'architettura della gestione della potenza USB 2.0 precedente. La nuova progettazione deve prevedere non solo l'adattamento alla tecnologia USB di tipo C e al relativo connettore reversibile, ma anche la possibilità dell'energia di fluire in entrambe le direzioni e il cambio di funzioni sui dispositivi durante il funzionamento del sistema. Inoltre, i livelli energetici sono considerevolmente più elevati: fino a 5 A a 20 V (100 W) rispetto ai 500 mA a 5 V (2,5 W) della tecnologia USB 2.0.
• A livello di circuito, la modalità SuperSpeed+ di USB 3.1, con velocità di trasmissione dei dati pari a 10 Gbps, richiede che l'eventuale capacità aggiuntiva sia mantenuta a un minimo assoluto, aspetto che impone rigide limitazioni sui dispositivi di protezione ESD. A causa del livello superiore di tensione e corrente, sono inoltre necessarie modifiche alle specifiche dei dispositivi di protezione.
Problemi di progettazione a livello di sistema
A livello di sistema, il dispositivo USB PD è responsabile di molte funzioni aggiuntive rispetto al semplice controller antecedente alla tecnologia USB PD, che deve soddisfare solo gli standard energetici USB fornendo la tensione e l'alimentazione specificate.
Come già menzionato, un controller USB PD deve eseguire una serie complessa di operazioni. Tale controller deve innanzitutto rilevare l'inserimento di un cavo nel connettore di tipo C e determinarne l'orientamento; quindi, negozia un contratto energetico USB PD con l'altro dispositivo tramite le linee CC per determinare le funzionalità e i livelli di alimentazione appropriati utilizzando la codifica BMC (Bi-phase Marked Coding, codifica per flussi di dati binari) e il protocollo PHY (Physical Layer Protocol, protocollo dello strato fisico).
Una volta completate le negoziazioni, il controller attiva il percorso di alimentazione appropriato e configura le impostazioni di modalità alternata USB PD, che consentono l'uso simultaneo di altri protocolli quali DisplayPort. Il contratto può essere rinegoziato se le condizioni cambiano in qualsiasi momento durante il funzionamento, quindi il controller deve rispondere a nuovi input in modo appropriato.
Controller USPD di esempio
Questo livello di funzionalità richiede un dispositivo SoC (System-on-Chip) a segnale misto complesso che, in genere, include un core microcontroller e un ASIC analogico. I dispositivi tipici di questo tipo utilizzano FET interni per erogazione dell'alimentazione a 5 V e 12 V e FET ad alimentazione esterna se è necessaria una potenza di 20 V a 5 A.
TPS65982 di Texas Instruments è un controller USB PD e USB di tipo C che include sei blocchi principali: un blocco di orientamento e spina del cavo, un PHY USB PD, un gestore dei criteri della porta interamente configurabile basato su core ARM, un blocco di gestione della potenza, percorsi di alimentazione con FET interni da 3 A e 20 V/5 A opzionali e una funzionalità integrata a segnale misto ad alta velocità per modalità alternata. Il modello TPS65986 è un dispositivo simile senza la funzionalità FET esterno. Le applicazioni di destinazione comprendono computer portatili, tablet e ultrabook, docking station e dispositivi ad alimentazione bus compatibili con USB PD, nonché altri protocolli tramite modalità alternata USB PD quali DisplayPort, Thunderbolt e HDMI.
Figura 2: interfaccia di alimentazione del modello TPS65982 in un'applicazione caricabatterie con capacità di 20 V. (Fonte: Texas Instruments)
Il modello CCG1 di Cypress Semiconductor incorpora un processore Cortex-M0 a 32 bit ARM da 48 MHz con Flash da 32 KB e SRAM da 4 KB, due blocchi TCPWM da 16 bit configurabili e un blocco di comunicazione seriale (SCB, Serial Communication Block) con funzionalità I2C (master o slave), SPI (master o slave) o UART. Altre caratteristiche includono ricetrasmettitori di tipo C integrati, un ADC da 1 Msps a 12 bit per monitoraggio di tensione e corrente VBUS e fino a 30 GPIO.
Anche NXP Semiconductor dispone di un portafoglio di prodotti USB di tipo C, che include una soluzione USB di tipo C completa, dotata di tecnologia di autenticazione per convalidare un dispositivo e determinare se è necessario abilitarne funzionalità specifiche. Questa soluzione ha diversi vantaggi, ad esempio una maggiore durata della batteria e prevenzione dei pericoli relativi alla sicurezza o dei danni alle apparecchiature causati da materiali di bassa qualità o prodotti non conformi.
Altri dispositivi NXP includono MCU basate su ARM con firmware USB PD, condizionatori di segnale per aumentare le distanze di trasmissione e ridurre il BER, (Bit Error Rate, rapporto di errore dei bit), nonché interruttori di potenza a N canali che isolano automaticamente da un carico o una fonte difettosa.
Protezione ESD per USB 3.1 e USB PD
USB 3.1 utilizza le stesse linee di segnalazione differenziale della tecnologia USB 3.0, ma raddoppia la velocità di trasmissione dei dati a 10 Gbps. Con l'aumento delle velocità è fondamentale che l'interfaccia mantenga la corrispondenza dell'impedenza sull'intero percorso del segnale. Eventuali mancate corrispondenze dell'impedenza causano riflessioni sulla linea, aumentando la distorsione e compromettendo potenzialmente la qualità del segnale; per questo motivo i sistemi USB 3.1 richiedono limiti rigorosi della capacità per qualsiasi componente esterno nel percorso del segnale.
Anche se i dispositivi di protezione ESD aggiungono effettivamente capacità, rappresentano un componente critico. La migrazione a geometrie di processo di minore entità può comportare un aumento della velocità, ma anche della suscettibilità agli impulsi ESD. Inoltre, una porta USB su un dispositivo di consumo, ad esempio un computer portatile o un telefono cellulare, viene utilizzata in un ambiente ESD non controllato. Bracciali antistatici o superfici da tavolo dotate di messa a terra non sono soluzioni applicabili. Al contrario, è assai probabile che i consumatori tocchino accidentalmente un pin del connettore mentre collegano o scollegano una spina, subito dopo aver calpestato un tappeto in nylon o aver accarezzato il gatto.
Nell'ambito delle architetture di dispositivi tradizionali, con l'aumento dei livelli di protezione ESD aumenta anche la capacità dei dispositivi, costringendo i progettisti a scegliere tra integrità del segnale e protezione ESD. I diodi semiconduttori sono dotati di molte caratteristiche desiderabili, ad esempio tensioni di bloccaggio basse, tempi di accensione rapidi e una maggiore affidabilità ma, fino a poco tempo fa, disponevano di una capacità superiore rispetto ad altre architetture.
Ora, tuttavia, i produttori stanno introducendo sul mercato dispositivi di protezione basati su diodi con capacità molto bassa, realizzati appositamente per applicazioni ad alta velocità. Il modello PUSB3FR4 di NXP Semiconductor, ad esempio, è progettato per proteggere interfacce ad alta velocità quali USB 3.1 SuperSpeed a 10 Gbps. Il dispositivo include quattro strutture a diodi di protezione ESD di alto livello ed è incapsulato in una confezione in plastica senza piombo DFN2510A-10 (SOT1176-1) di piccole dimensioni. Tutte le linee di segnale sono protette da una configurazione a diodi speciale per garantire una capacità di linea estremamente bassa pari a 0,29 pF. I diodi utilizzano una struttura con chiusura a scatto per proteggere i componenti downstream da tensioni ESD per scariche di contatto da ±15 kV che superano il livello 4 dello standard IEC 61000-4-2.
Il modello simile, PUSB3FR6, con sei dispositivi ESD, offre protezione a livello di sistema per la combinazione USB 2.0 e USB 3.1, una caratteristica del connettore USB di tipo C.
Figura 3: risposta di bloccaggio di ESD7008 all'impulso ESD di contatto IEC61000-4-2 +/-8 kV. (Fonte: ON Semiconductor)
Anche ON Semiconductor è attivo in questo mercato. Il suo modello ESD7008 offre protezione ESD per quattro accoppiamenti differenziali (8 linee) in una confezione UDFN18. La confezione a flusso continuo consente un facile layout PCB e corrispondenza tra le lunghezze di traccia necessaria per mantenere una impedenza uniforme. Il dispositivo presenta una capacità tipica di 0,12 pF verso terra.
Conclusione
USB di tipo C, USB 3.1 e USB PD rappresentano, insieme, il futuro di USB. Naturalmente, gli aspetti innovativi del sistema completo, ovvero il connettore reversibile, la maggiore velocità e il nuovo formato PDF, presentano sfide di progettazione per i progettisti dei sistemi di alimentazione, ma le prime soluzioni sono già state introdotte e molte altre sono nelle fasi finali di sviluppo.