La sortie récente de nouvelles spécifications USB marque un changement d'orientation ; D'une interface aux capacités en alimentation limitées, on passe à une interface de données combinée à un système d'alimentation.
Habituellement, un port USB offre une alimentation limitée : l’USB 2.0 fournit 500 mA maximum sur une tension électrique de 5 V. C’est suffisant pour les petits appareils électriques, mais pas pour les ordinateurs portables ou les lecteurs de disques durs.
En fait, l’USB est devenu la seule fiche de branchement au secteur pour les téléphones portables, les disques SSD et les lecteurs MP3. Aujourd’hui, on recharge généralement les batteries de ces appareils à partir des ports USB des ordinateurs portables, des automobiles, des avions et même de prises murales. Il y a même des appareils passifs, comme des lampes à LED conçues pour fonctionner uniquement sur prise USB.
Les dernières spécifications USB 3.1 augmentent les capacités actuelles à 900 mA lorsqu’on utilise des raccordements de type A traditionnels. Combiné au nouveau raccordement de type C, avec ses quatre paires de fils et une masse, un système USB 3.x peut fournir jusqu’à 3 A, mais toujours sur une tension de seulement 5 V.
Cela peut paraître impressionnant, mais ça ne suffit pas à remplacer le bloc d’alimentation omniprésent. Pour en faire plus, il faut un niveau de fonctionnalité supérieur. Consultez les spécifications USB Power Delivery.
Les spécifications USB Power Delivery
Les spécifications USB Power Delivery (USB PD) permettent à l’USB de dépasser ses capacités actuelles limitées en alimentation pour devenir une source d’alimentation bidirectionnelle pouvant laisser passer jusqu’à 100 W (5 A à 20 V). USB PD est distinct de l’USB 3.1 et de l’USB-C. Des systèmes peuvent répondre aux normes USB 3.1 sans être conformes aux spécifications USB PD ou USB-C.
Selon les spécifications USB PD, les paires des ports USB négocient la tension, l’intensité et la direction du courant sur le câble USB. La direction du courant n’est plus définie, de sorte que le produit (hôte ou périphérique) peut fournir le courant. Si la situation change, le système peut répondre.
Schéma 1. Spécifications USB-C et USB Power Delivery : un ensemble pour tous les produits. (Source : NXP)
Cette capacité d’alimentation supérieure permet d’alimenter par USB des appareils tels que des lecteurs de disques et des imprimantes. Ainsi, il n’est plus nécessaire d’avoir un bloc d’alimentation pour chaque appareil, ce qui réduit le gaspillage. On estime que 150 000 tonnes de chargeurs de batteries sont jetés chaque année aux États-Unis et en Europe. Lorsque la gestion de la puissance est répartie entre plusieurs périphériques, chaque appareil peut prendre seulement la puissance dont il a besoin pour la tâche en cours et obtenir davantage de puissance seulement si c’est nécessaire. Ceci augmente la flexibilité de l’alimentation dans un système à plusieurs appareils. Par exemple, un appareil alimenté par batterie peut obtenir, en cours de charge, plus de puissance d’un concentrateur tel qu’un ordinateur portable, puis restituer de la puissance lorsque le lecteur de disque dur tourne.
Le raccordement USB-C est totalement réversible et dispose de broches dédiées à cette fin. Lorsqu’il est combiné à un assemblage de câble à marquage électronique (EMCA), il pose les fondations d’une nouvelle architecture de distribution d’alimentation, que l’on commence déjà à voir dans de nouveaux produits.
Comment ça marche ? L’USB PD distingue la source d’alimentation, ou l’hôte, des consommateurs d’alimentation, ou les appareils. Dans la terminologie de l’USB PD, ces fonctions sont respectivement appelées DFP (port vers l’aval) et UFP (port vers l’amont).
Dans la configuration la plus simple (par exemple, un UFP tel qu’un disque flash branché sur un DFP tel qu’un ordinateur portable), une tension de 5 V circule dans un sens seulement, soit du DFP à l’UFP, et tout ce qui doit être défini est l’orientation du raccordement UFP de type-C au récepteur DFP. Dans ce cas, seul le DFP nécessite un contrôleur de canal de configuration. La broche Vbus est ouverte et l’UFP comprend une résistance pulldown (Rd) sur la broche CC tel que le montre le schéma 2.
Schéma 2. DFP simple sur connexion UFP. (Source : Cypress Semiconductor)
Le DFP comprend une résistance pullup (Rp) sur les deux broches CC (CC1 et CC2). La valeur de la résistance Rp indique la valeur de la limite de courant de l’alimentation par le DFP, illustrée dans le tableau 1. Dès que l’UFP est branché, le DFP peut définir l’orientation du raccordement en contrôlant si CC1 ou CC2 est au niveau bas. Le schéma 2 illustre cette situation.
Tableau 1. Valeur des résistances et limite de courant du DFP. (Source : Cypress Semiconductor)
Cette configuration simple permet seulement un fonctionnement sur 5 V. Si une tension de plus de 3 ou 5 V est nécessaire, il doit y avoir un contrôleur de configuration à chaque extrémité de la liaison.
Le niveau de sophistication suivant réside dans le port à double fonction (DRP), qui peut agir soit comme fournisseur d’alimentation (DFP), soit comme consommateur d’alimentation (UFP), selon les besoins. Le DRP contient désormais un contrôleur de configuration avec un bloc émetteur ou récepteur, et il comporte des résistances Rp et Rd pour une connexion à la broche CC.
L’assemblage de câble à marquage électronique (EMCA)
La plupart des systèmes USB comportent un câble pour connecter un appareil à un autre. Dans le système USB PD 5 V/3 A, illustré par le schéma 2, une simple connexion électrique entre le DFP et l’UFP suffit. Un système plus complexe, avec un ou plusieurs DRP à 3 A ou 5 V, nécessite au moins un EMCA avec des contrôleurs de configuration intégrés pour fournir le marquage électronique.
Le schéma 3 illustre une connexion USB avec un EMCA. Les contrôleurs de configuration sont marqués « CCG1 ». Puisque le DFP et l’UFP fonctionnent maintenant tous les deux comme des récepteurs, ils comportent chacun des broches CC1 et CC2 plutôt que des broches CC et Vconn. L’EMCA dispose de deux paires de CC/Vconn.
La résistance Ra dans chaque fiche indique la présence de l’EMCA sur le DFP et l’UFP. Les broches Vconn sur le DFP et l’UFP sont isolées galvaniquement dans le câble. Étant donné que le DFP et l’UFP doivent tous les deux permettre l’inversion du câble, ils comportent chacun un CCG sur leurs lignes CC1 et CC2 respectives.
Schéma 3. Connexion DFP sur UFP avec EMCA. (Source : Cypress Semiconductor)
Nouvelle génération de distribution d’alimentation
Grâce au trio USB 3.1/Type C/USB PD, des possibilités intéressantes émergent pour réinventer la distribution d’alimentation en CC. Dans cette optique, très peu d’appareils sont alimentés par le secteur. Le courant continu est plutôt acheminé à la plupart des appareils par des concentrateurs d’alimentation intégrés, tel que l’illustre le schéma 4.
Ici, un écran est branché sur une prise secteur standard et comporte un concentrateur d’alimentation qui délivre du courant continu à plusieurs appareils disposant chacun de leur propre DRP ou UFP. Parallèlement aux données d’alimentation et de configuration, les données USB en série normales sont aussi communiquées.
Schéma 4. Éventuelle future architecture de distribution d’alimentation avec USB PD. (Source : USB.org)
Certains spécialistes poussent le concept un peu plus loin et prévoient que le câblage basse-tension par USB pourrait devenir la norme dans les foyers et les bureaux et fournirait à la fois des données et de l’alimentation à tous les appareils connectés. L’un des avantages est qu’un tel réseau pourrait fonctionner avec le courant produit par un panneau solaire, alors qu’actuellement, ce courant est reversé dans le réseau électrique par l’intermédiaire d’un système complexe avec onduleur.
Cependant, dans un monde post-Stuxnet, certaines questions évidentes en matière de sécurité doivent être réglées. Le problème du chiffrement et de l’authentification des réseaux de distribution fait l’objet de toutes les attentions dans l’écosystème de l’Internet des objets, et tout le monde attend des solutions fiables et bon marché.
Le revanche d’Edison ? Pas encore.
Le développement du courant continu basse-tension signifie-t-il la fin du courant alternatif dans les maisons ? Pas tout à fait. Bien qu’une alimentation USB soit appropriée pour la plupart des appareils de divertissement et des appareils informatiques, même les petits appareils ménagers ont besoin de plus de puissance : 200 W pour une cafetière ou 300 W pour un mixeur. Sans parler d’autres appareils, comme les climatiseurs, les lave-linge et les sèche-linge ou les outils électriques qui consomment des milliers de watts ou un courant polyphasé.
On peut alors imaginer deux systèmes en parallèle : le courant continu pour les appareils informatiques et de divertissement, les téléphones, l’Internet des objets et peut-être l’éclairage et les alarmes, et le courant alternatif pour tout le reste.
Arrow Electronics et les nouvelles normes USB
Les spécifications USB Power delivery, l’USB 3.1 et le raccordement USB-C constituent la nouvelle norme et sont l’avenir des communications en série dans de nombreux marchés. Ils représentent une occasion unique pour les fournisseurs de semi-conducteurs, de raccordements, de câbles, etc. Ceci aura des conséquences dans tous les marchés grand public et, bien sûr, Arrow et ses fournisseurs sont parmi les premiers à prendre le virage.
Arrow a collaboré avec NXP pour mettre sur le marché un ensemble complet de produits, de formations et de support technique pour aider ses clients à mettre en place en un temps record des solutions USB-C de premier ordre, notamment la première solution USB-C complète du secteur qui comprend l’authentification et des capacités d’alimentation.
De plus, d’autres fournisseurs d’Arrow, tels que Microchip, TI et Cypress Semiconductor proposent leurs propres familles de produits USB-C.