Maximización de la entrega de energía: soluciones de diseño de referencia USB PD de 240 W con las capacidades de energía más altas

El estándar USB Power Delivery (PD) sigue evolucionando. La especificación USB PD 3.2 más reciente ahora admite el suministro y recepción de hasta 240 W (48 V, 5 A). Este artículo discutirá las principales tendencias en USB PD y explorará por qué implementar USB-C en 2024 ya no se considera una innovación, sino un buen enfoque para mantenerse competitivo con nuevos diseños. Finalmente, el artículo proporcionará una visión general de una solución de fuente y sumidero que admite 240 W utilizando los controladores de lado primario y secundario de Infineon, microcontroladores de alto voltaje EZ-PD™ PMG1 con USB-C PD integrado y los transistores de potencia CoolGaN™ de Infineon.  

USB es actualmente un conjunto de estándares bien reconocido en aplicaciones de consumo y automotrices y se está expandiendo rápidamente en los sectores industrial y de e-movilidad. Comenzando con la primera revisión oficial de USB 1.0 en 1996, que soportaba hasta 1.5 Mbps de transferencia de datos y hasta 2.5 W de potencia, ha evolucionado para soportar increíbles 80 Gbps y 240 W a través de un solo cable USB-C. Sin embargo, alrededor de la mitad de todos los visitantes del stand de Arrow en un reciente espectáculo, se sorprendieron al saber que los estándares USB ya soportan 240 W.

Profundicemos en los detalles del conector estándar USB Type-C. La gran ventaja de este conector es que la interfaz no depende del enchufe debido a su diseño simétrico; funciona independientemente de cómo se conecte. Este conector admite suministro de energía de hasta 240 W y es compatible con protocolos como HDMI, DisplayPort, Thunderbolt y otros a través de su Modo Alterno, conocido como Alt Mode. Estas características en conjunto han tenido una influencia significativa en la industria.

Al observar los pines del conector, mostrados en la Figura 1, los pines CC1 y CC2, conocidos como pines de configuración de cable, se utilizan para controlar la orientación y determinar sus funciones: Puerto Orientado hacia Abajo (DFP) para el rol de fuente de energía, Puerto Orientado hacia Arriba (UFP) para el rol de sumidero, y Puerto de Rol Dual (DRP) para ambos roles de fuente y sumidero. Otra función de los pines CC es facilitar la transferencia de datos al negociar contratos de Entrega de Energía entre la fuente y el sumidero.

Cuatro pares diferenciales etiquetados como RX/TX para velocidades de USB de 5 Gbps o superiores, se utilizaron a partir de USB 3.1. Estas líneas operan en modo dúplex completo, mientras que los dos pares de pines heredados, D+/D-, ubicados en el centro, operan en modo semidúplex. Los pines etiquetados como SBU, o SideBand Use, se utilizan para los modos alternativos, como habilitar la salida de video para DisplayPort o Thunderbolt. Los pines VBUS se utilizan para suministrar energía de hasta 240 W. Los cuatro pines de tierra externa (GND) están destinados a la conexión a tierra. Una conexión a tierra adecuada es esencial para USB-C a altas tasas de datos y en casos de suministro de alta potencia a través del conector.

Adentrándose en profundidad en el estándar USB Power Delivery, como se mencionó anteriormente, las versiones iniciales del estándar USB permitían una potencia máxima de 2.5 W (5 V@500mA) a través de VBUS. Con USB 3.0, esto aumentó ligeramente a 4.5 W (5 V@900mA), pero aún no era suficiente para muchas aplicaciones.

Con la introducción del USB Type-C y Power Delivery en 2014, las capacidades de alimentación de USB se incrementaron significativamente. Por defecto, con el uso del USB Type-C, la potencia máxima disponible aumentó a 15 W (5 V @3 A). Con la implementación completa del USB PD, se hizo posible entregar hasta 100 W (20 V @5 A) desde una única fuente USB.

A partir de la especificación USB Power Delivery 3.1, se permite hasta 240 W (48 V @5 A). Todos los niveles de voltaje superiores a 20 V están ahora categorizados como Rango de Potencia Extendido (EPR). La especificación también incluye soporte para un modo de Suministro de Voltaje Ajustable (AVS), que permite ajustar el voltaje en pasos de 100 mV para voltajes superiores a 15 V.

USB es un estándar con casi 30 años de antigüedad, pero las mejoras más significativas en velocidad y capacidades de potencia se observaron recientemente. En los últimos ocho años, USB-C ha sido adoptado por fabricantes de dispositivos principales, como los fabricantes de laptops y smartphones.

Ahora, la mayoría de las laptops cuentan con al menos un puerto USB-C. Además, muchos otros dispositivos móviles han cambiado a USB-C, junto con un aumento notable en los adaptadores de corriente USB-C en el mercado. Simultáneamente, los fabricantes de automóviles han añadido más puertos USB-C en sus vehículos para ofrecer opciones de carga mejoradas para conductores y pasajeros. Siguiendo esta tendencia, se espera que la adopción de USB-C en los sectores embebidos e industriales aumente significativamente en los próximos años.

La visión para 2025 y más allá es que muchos dispositivos electrónicos, actualmente alimentados hasta 240 W, adoptarán USB-C como un puerto estándar para comunicaciones de datos y carga.

Entre los factores clave que están impulsando aún más la adopción de USB se encuentran la carrera en tecnologías de baterías, el cambio hacia aplicaciones industriales y la creciente aceptación mundial de USB. Las regulaciones locales también tendrán un impacto significativo: USB Type-C y USB PD se volverán obligatorios en todos los países de la Unión Europea para muchas aplicaciones a finales de 2024. Actualmente, se están llevando a cabo discusiones similares en EE. UU. y otros países. Seguir estas tendencias hoy en día no se trata solo de estar a la vanguardia de la tecnología; se ha convertido en una característica competitiva importante que asegura una posición en el mercado. Pero, ¿cuáles son las principales ventajas de la tecnología que impulsan una adopción tan rápida del estándar en los últimos años?

Capacidad combinada de datos y energía: uno de los impulsores más importantes del rápido crecimiento de USB-C es su capacidad para transmitir datos de alta velocidad, video y energía a través de un solo conector delgado. Esta característica permite el diseño de dispositivos más pequeños y delgados.

Ventaja de unificación y reutilización: Los adaptadores de corriente tradicionales vienen con niveles de voltaje y corriente fijos y a menudo cuentan con conectores de barril únicos, lo que significa que solo pueden usarse con su dispositivo previsto. Tales adaptadores a menudo no son compatibles con otros dispositivos.

En contraste, los adaptadores de corriente USB-C son universalmente compatibles, ofreciendo un conector USB Tipo-C que funciona en muchos dispositivos. Además, con el adaptador USB PD de 240 W, es posible negociar tensiones y corrientes de hasta 240 W (48 V @5 A). Esto permite cargar cualquier dispositivo USB hasta 240 W, incluidos dispositivos de 5 V o 15 V, teléfonos de 45 W y laptops de 160 W. Incluso tus futuros dispositivos, por ejemplo, herramientas eléctricas, e-Bikes o impresoras 3D de consumo, podrían potencialmente cargarse usando el mismo adaptador. Un solo adaptador de corriente USB puede usarse para cargar muchos dispositivos, ahorrando costos para los consumidores.

Ahorro de costos de I+D y fabricación: las fuentes de alimentación personalizadas, ya sea integradas o utilizando un conector personalizado, a menudo requieren inversiones adicionales en diseño, fabricación y prueba, especialmente cuando las cantidades de producción no son muy altas.

La adopción de un adaptador de corriente USB-C en lugar de una fuente de alimentación personalizada junto con el controlador Infineon USB-C PD adecuado para absorber energía ayudará a disminuir el costo por vatio. Esto ocurrirá naturalmente debido a la gran competencia entre los fabricantes de cargadores en el mercado masivo.

Mejorar el tiempo de comercialización: además de los mayores costos para el diseño de cargadores externos o integrados, las soluciones personalizadas a menudo requieren mucho más tiempo para I+D y pruebas adicionales. Mientras que la implementación simple de USB sink junto con el cargador USB certificado permite un tiempo de comercialización más rápido en la mayoría de los casos de aplicación.

Reducción de la dependencia de los OEM: surge otra situación cuando la fuente de alimentación o el módulo de potencia AC/DC integrado provienen de un fabricante OEM. En este caso, el futuro del proyecto podría depender en gran medida de los planes de fabricación de terceros. Una vez que se implementa la función de receptáculo USB, se podrían utilizar todos los adaptadores USB certificados con capacidades de potencia similares del mercado de consumo, reduciendo así la dependencia de un único proveedor OEM.

Reducción de residuos electrónicos: a primera vista, puede que no sea evidente, pero la unificación de los cargadores tiene un impacto significativo en la protección ambiental. Aunque cada cargador individual es pequeño, las consecuencias ambientales son sustanciales al considerar los millones de cargadores desechados cada año.

Mejorar la percepción de la marca: el hecho de que la empresa de diseño se mantenga al día con las tendencias siempre añade un atractivo adicional para sus clientes potenciales. Imagine cómo se sentiría si su empresa comprara equipos de medición modernos y caros que vinieran con un CD para instalar controladores y las herramientas de software.

Conector USB Type-C: además de todos los factores de impulso y ventajas del USB mencionados anteriormente, la característica más importante en sí misma fue la introducción del conector USB Type-C de 24 pines en 2014 (ver Figura 1).

Siguiendo las últimas tendencias de la industria, Arrow e Infineon introdujeron el nuevo diseño de referencia de receptor PD 3.1 de 240 W utilizando el microcontrolador de alto voltaje EZ-PD™ PMG1-S3 de Infineon, destinado a soportar aplicaciones USB de alta potencia. El nuevo diseño de referencia admite hasta 48 V @5 A en modo receptor de Objeto de Entrega de Energía (PDO), que es el nivel más alto alcanzable con los últimos estándares USB PD.

El diseño de referencia extiende aún más las capacidades existentes de absorción de energía de la familia de microcontroladores de alto voltaje EZ-PD™ PMG1 de Infineon de 140 W a 240 W, lo cual es importante para muchas aplicaciones que exigen mucha energía y carga rápida.

Esta placa de diseño de referencia de sumidero de 240 W REF_ARIF240WS3, mostrada en la Figura 4, complementa la recientemente lanzada placa de evaluación de fuente USB PD 3.1 de Infineon REF_XDPS2222_240W1. Esta combinación permite a los ingenieros estar entre los primeros en el mercado con una solución completa de fuente-sumidero USB PD 3.1 de 240 W.

El diseño complementario para fuente de poder de 240 W, REF_XDPS2222_240W1 de Infineon, basado en la tecnología CoolGaN™, es un diseño de referencia USB PD 3.1 de alta eficiencia, con densidad de potencia de 25 W/in³, usando el XDP™ digital power XDPS2222 PFC + IC combinado flyback híbrido (HFB) (Figura 5).

El intercambio interno entre el controlador PFC y HFB y el ajuste adaptativo del voltaje del bus hacen que el controlador XDP™ XDPS2222 sea perfecto para aplicaciones con entrada de AC amplia y un rango de voltaje de salida muy amplio, como adaptadores USB PD de rango extendido de potencia (EPR) y cargadores de baterías. Las características principales incluyen operación HFB ZVS en lado alto y bajo, control rápido de corriente pico HFB, operaciones armonizadas de PFC y HFB, salto de pulsos a cargas ligeras, control automático de habilitación/deshabilitación de PFC y nivel de voltaje del bus PFC autoajustable.

Estos diseños de referencia están destinados a apoyar una amplia gama de aplicaciones, como vehículos eléctricos ligeros (bicicletas eléctricas, scooters eléctricos y otros dispositivos de movilidad personal), drones, robots móviles, impresoras 3D, equipos AV profesionales, herramientas eléctricas, equipos médicos, electrodomésticos, dispositivos de entretenimiento en el hogar y más.

Pero en general, cualquier aplicación que requiera de 0 a 240 W podría beneficiarse al adoptar USB-C para alimentación, y las características destacadas de USB PD proporcionadas por estos diseños avanzados.

Ambos diseños de referencia están disponibles a pedido. Además del soporte técnico, Arrow ofrece una gama de servicios de soporte técnico, incluyendo personalización de esquemas y modificaciones de PCB, ayudando a maximizar el potencial de los diseños de los clientes y reducir el tiempo de lanzamiento al mercado.