El reciente lanzamiento de nuevas especificaciones USB marca un cambio en el énfasis: de una interfaz con capacidad limitada para suministrar energía a una combinación de interfaz de datos y sistema de distribución de energía.
Tradicionalmente, la potencia de un puerto USB es limitada: un USB 2.0 proporciona un único cable de alimentación de 5 V con un máximo de 500 mA. Eso es suficiente para muchos dispositivos más pequeños, pero no para ordenadores portátiles o unidades del disco duro (HDD).
De hecho, USB se ha convertido en la única toma de corriente para muchos teléfonos celulares, unidades de estado sólido y reproductores de MP3. Hoy en día estos dispositivos suelen cargar sus baterías mediante puertos USB que se encuentran en otros dispositivos, como ordenadores portátiles, automóviles, aviones o incluso enchufes de pared. También existen dispositivos “tontos”, cómo lámparas LED que están diseñadas para funcionar exclusivamente con alimentación USB.
La especificación USB 3.1 más reciente aumenta la capacidad de corriente a 900 mA cuando se usan conectores tradicionales de tipo A. Cuando se combina con el nuevo conector de tipo C (y sus cuatro pares de alimentación/tierra), un sistema USB 3.x puede entregar hasta 3 A, pero aún así a tan solo 5 V.
Eso puede ser impresionante, pero no es ninguna amenaza para la ubicuidad del transformador de corriente. Para hacer más se requiere un mayor nivel de funcionalidad, entrar a la especificación USB Power Delivery.
Especificación USB Power Delivery
La especificación USB Power Delivery (USB PD) permite que el USB sobrepase su actual capacidad de alimentación limitada para convertirse en una fuente de alimentación bidimensional, de tipo sinking o sourcing, de hasta 100 W (5 A a 20 V). La USB PD es independiente de USB 3.1 y USB-C; los sistemas pueden ser compatibles con USB 3.1 sin que cumplan con las especificaciones USB PD o USB-C.
En USB Power Delivery, los pares de puertos USB negocian la tensión, la corriente y la dirección del flujo de alimentación por el cable USB. La dirección de alimentación ya no es fija, lo que permite que el producto que posee la potencia (host o periférico) proporcione la alimentación; si las condiciones cambian, el sistema puede responder.
Figura 1: especificaciones USB-C y USB Power Delivery: un conjunto los rige a todos. (Fuente: NXP)
Esta capacidad de obtener mayor potencia permite que dispositivos como unidades de disco e impresoras se alimenten por USB y que se elimine la necesidad de un brick de alimentación independiente para cada dispositivo. Además, se reduce la producción de desechos. Según algunas estimaciones, cada año se desechan hasta 150.000 toneladas de cargadores de baterías en los EE.UU. y Europa. Cuando la administración de potencia se propaga por múltiples periféricos, cada dispositivo puede tomar únicamente la potencia que requiere para el trabajo inmediato y obtener más potencia solo cuando es necesario. Esto permite una mayor flexibilidad en la distribución de energía a través de un sistema de múltiples dispositivos. Por ejemplo, un dispositivo a baterías puede aumentar su potencia mediante un hub (como una ordenaror portátil durante la carga) y luego devolver esa potencia cuando la HDD de la computadora portátil esté girando.
El conector USB-C está diseñado para ser completamente reversible y posee pines exclusivos para este propósito; al combinarse con el montaje de cables marcados electrónicamente (EMCA) de USB-C, prepara el terreno para una nueva arquitectura de distribución de potencia, que ya se observa en los productos nuevos.
¿Cómo se logra? La USB PD hace una distinción entre fuentes de energía, o host, y consumidores de energía, o dispositivos. En la terminología de USB PD, estas funciones se denominan DFP (puerto con orientación descendente) y UFP (puerto con orientación ascendente) respectivamente.
En la configuración más simple (por ejemplo, un UFP como una unidad flash conectada a un DFP como un ordenador portátil), la potencia de 5 V sólo fluye en una dirección (de DFP a UFP) y la orientación del conector UFP de tipo C en el receptáculo de DFP es todo lo que se debe determinar. En este caso, sólo el DFP necesita un controlador del canal de configuración; el pin Vbus está abierto y el UFP incluye un Rd resistor de empuje hacia abajo en su pin CC, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2: conexión simple de DFP a UFP. (Fuente: Cypress Semiconductor)
El DFP tiene una Rp resistencia de empuje hacia arriba en ambos pines CC (CC1 y CC2). El valor de Rp indica el valor del suministro de energía de límite de corriente de DFP, que se muestra en la Tabla 1. Apenas se conecta el UFP, el DFP puede determinar la orientación del conector al monitorear si está abajo CC1 o CC2. La Figura 2 muestra esta situación.
Tabla 1: valores del resistor versus límites de la corriente de DFP. (Fuente: Cypress Semiconductor)
La configuración simple solo permite la operación de 5 V; si se necesitan más de 3 A o 5 V, entonces debe existir un controlador de configuración en ambos extremos de la conexión.
El siguiente nivel de sofisticación se encuentra en la forma de puerto de rol doble (DRP), que puede ser un proveedor de potencia (DFP) o un consumidor de potencia (UFP), dependiendo de la necesidad. El DRP ahora contiene un controlador de configuración con un bloque transmisor/receptor e incluye resistencias Rp y Rd para conectarse al pin CC según sea necesario.
El montaje de cables marcados electrónicamente (EMCA)
La mayoría de los sistemas USB incluye un cable que permite conectar un dispositivo con otro. En el sistema USB PD de 5 V/3 A que se muestra en la Figura 2 se necesita únicamente una conexión eléctrica simple entre DFP y UFP. Un sistema más complejo, con uno o más DRP que manejan más de 3 A o 5 V, requiere uno o más EMCA con controladores de configuración integrados para realizar marcaciones electrónicas.
La Figura 3 muestra una conexión USB con un EMCA; los controladores de configuración poseen la etiqueta “CCG1”. Dado que DFP y UFP ahora funcionan como receptáculos, cada uno de ellos posee pines CC1 y CC2 en vez de pines CC y Vconn; el EMCA posee dos pines CC/Vconn.
La Ra resistencia en cada enchufe indica la presencia de un EMCA en el DFP y el UFP; los suministros de Vconn al DFP y UFP quedan eléctricamente aislados entre sí dentro del cable. Dado que ambos deben adaptarse a la inversión de cables, el DFP y UFP ahora incluyen un CCG en sus respectivas líneas de CC1 y CC2.
Figura 3: conexión de DFP a UFP con un EMCA. (Fuente: Cypress Semiconductor)
La distribución de energía de la próxima generación
Una vez que el triunvirato USB 3.1/Tipo C/USB PD completo se haya puesto en marcha, aparecerán emocionantes posibilidades para volver a imaginar la distribución de la energía de CC. En esta visión, muy pocos dispositivos se basan en un enchufe de pared para recibir alimentación; en cambio, la energía de CC se envía a la mayoría de los dispositivos desde hubs de alimentación integrados, como se muestra en la Figura 4.
Aquí, se conecta una pantalla a un enchufe de pared estándar y se incluye un hub de alimentación que suministra energía de CC a múltiples dispositivos, cada uno de ellos con su propio DRP o UFP según el dispositivo. En paralelo con la configuración y los datos de potencia, también se realiza una habitual comunicación de datos en serie mediante USB.
Figura 4: posible arquitectura futura de distribución de energía mediante USB PD. (Fuente: USB.org)
Para llevar este concepto un paso más allá, los futuristas predicen que el cableado de CC de baja tensión vía USB podría convertirse en el estándar para hogares y oficinas, y proporcionar datos y alimentación a todos los dispositivos conectados. Una ventaja es que una red de ese tipo funcionaría bien con la energía producida por paneles solares locales, algo que en la actualidad normalmente se reinvierte en las redes eléctricas mediante una red inversora compleja.
Sin embargo, en un mundo después de Stuxnet, existen implicaciones de seguridad obvias que aún deben resolverse satisfactoriamente. Este problema de cifrado y autenticación en redes distribuidas está llamando mucho la atención como parte del ecosistema de la IoT, por lo que se espera que pronto estén disponibles soluciones sólidas y de bajo costo.
¿La revancha de Edison? Aún no.
¿El uso generalizado de la CC de baja tensión significa el término de la energía de CA para los hogares? No exactamente. Aunque la alimentación USB puede ser adecuada para la mayoría de los dispositivos informáticos y de entretenimiento, incluso los aparatos pequeños usan una tensión mucho mayor: cafetera ~ 200 W; licuadora ~ 300 W; máquina de palomitas de maíz ~ 250 W. Muchos otros dispositivos (HVAC, lavadoras y secadoras, herramientas eléctricas) usan miles de vatios o requieren energía de múltiples fases.
Lo que bien podría ocurrir es un sistema paralelo de energía de CA y CC: CC para dispositivos de entretenimiento, sistemas informáticos, teléfonos, dispositivos de IoT y probablemente sistemas de iluminación y alarmas, y CA para todo lo demás.
Arrow Electronics y los nuevos estándares para USB
La especificación USB Power Delivery, USB 3.1, y el conector USB-C representan el nuevo estándar y el futuro de las comunicaciones en serie en muchos mercados, además de una gran oportunidad para los proveedores de semiconductores, conectores, cables y más. Sus ramificaciones tendrán un efecto prácticamente en cada mercado de consumidores, así que por supuesto que Arrow y nuestros proveedores se mantienen delante de la curva.
Arrow se ha asociado con NXP para comercializar un completo conjunto de productos, capacitación y soporte para ayudar a nuestros clientes a implementar soluciones de USB-C de clase mundial en tiempo récord, incluyendo la primera solución completa de USB-C en la industria, la que incluye capacidades de autenticación y entrega de energía.
Además, otros proveedores de Arrow, como Microchip, TI y Cypress Semiconductor ofrecen sus propias familias de productos USB-C.