Maximisation de la livraison d'énergie : solutions de conception de référence USB PD 240 W avec les capacités de puissance les plus élevées

La norme USB Power Delivery (PD) continue d'évoluer. La spécification USB PD 3.2 la plus récente prend désormais en charge l'alimentation et la réception jusqu'à 240 W (48 V, 5 A). Cet article discutera des principales tendances de l'USB PD et explorera pourquoi la mise en œuvre de l'USB-C en 2024 n'est plus considérée comme une innovation, mais comme une bonne approche pour rester compétitif avec de nouveaux designs. Enfin, l'article fournira un aperçu d'une solution de source et de récepteur prenant en charge 240 W à l'aide des contrôleurs côté primaire et secondaire d'Infineon, des microcontrôleurs haute tension EZ-PD™ PMG1 intégrés avec USB-C PD et des transistors de puissance Infineon CoolGaN™.  

USB est actuellement un ensemble de normes bien reconnu dans les applications grand public et automobiles et se développe rapidement dans les secteurs industriels et de la mobilité électrique. À partir de la première révision officielle USB 1.0 en 1996, qui prenait en charge un transfert de données jusqu'à 1,5 Mbps et jusqu'à 2,5 W de puissance, il a évolué pour prendre en charge jusqu'à 80 Gbps et 240 W via un seul câble USB-C. Néanmoins, environ la moitié des visiteurs du stand d'Arrow lors d'un récent salon ont été surpris d'apprendre que les normes USB prennent déjà en charge 240 W.

Plongeons plus profondément dans les détails du connecteur standard USB Type-C. Le grand avantage de ce connecteur est que l'interface est sans orientation grâce à sa conception symétrique - elle fonctionne peu importe la façon dont elle est connectée. Ce connecteur prend en charge une puissance allant jusqu'à 240 W et prend en charge des protocoles comme HDMI, DisplayPort, Thunderbolt, et d'autres via son mode alternatif, connu sous le nom de mode Alt. Ces caractéristiques ont eu une influence significative sur l'industrie.

En regardant les broches de connecteur, illustrées à la Figure 1, les broches CC1 et CC2 – appelées broches de configuration de câbles – sont utilisées pour contrôler l'orientation et déterminer leurs rôles : Port orienté vers l'aval (DFP) pour le rôle de source d'alimentation, Port orienté vers l'amont (UFP) pour le rôle de récepteur, et Port à double rôle (DRP) pour les rôles de source et de récepteur. Une autre fonction des broches CC est de faciliter le transfert de données lors de la négociation des contrats de Power Delivery entre la source et le récepteur.

Quatre paires différentielles étiquetées RX/TX pour des vitesses USB de 5 Gbps ou plus ont été utilisées, à partir de l'USB 3.1. Ces lignes fonctionnent en mode duplex intégral, tandis que les deux paires de broches héritées, D+/D-, situées au centre, fonctionnent en mode semi-duplex. Les broches étiquetées SBU, ou SideBand Use, sont utilisées pour les modes alternatifs, comme l'activation de la sortie vidéo pour DisplayPort ou Thunderbolt. Les broches VBUS sont utilisées pour fournir une alimentation allant jusqu'à 240 W. Toutes les quatre broches de masse externes (GND) sont destinées à la mise à la terre. Une mise à la terre appropriée est essentielle pour l'USB-C à des débits de données élevés et dans les cas de livraison d'énergie élevée via le connecteur.

En plongeant profondément dans la norme USB Power Delivery, comme mentionné précédemment, les versions initiales de la norme USB permettaient une puissance maximale de 2,5 W (5 V@500mA) via VBUS. Avec USB 3.0, cela a légèrement augmenté à 4,5 W (5 V@900mA), mais cela restait insuffisant pour de nombreuses applications.

Avec l'introduction de l'USB Type-C et de Power Delivery en 2014, les capacités d'alimentation USB ont été considérablement augmentées. Par défaut, grâce à l'USB Type-C, la puissance maximale disponible est passée à 15 W (5 V @3 A). Avec la mise en œuvre complète de l'USB PD, il est devenu possible de fournir jusqu'à 100 W (20 V @5 A) à partir d'une source USB unique.

À partir de la spécification USB Power Delivery 3.1, jusqu'à 240 W (48 V @5 A) sont autorisés. Tous les niveaux de tension supérieurs à 20 V sont désormais classés comme Extended Power Range (EPR). La spécification inclut également le support pour un mode Adjustable Voltage Supply (AVS), qui permet d'ajuster la tension par paliers de 100 mV pour des tensions supérieures à 15 V.

L'USB est une norme vieille de près de 30 ans, mais les améliorations les plus significatives en termes de vitesse et de capacités de puissance ont été observées tout récemment. Au cours des huit dernières années, l'USB-C a été adopté par les fabricants de dispositifs grand public, tels que les fabricants d'ordinateurs portables et de smartphones.

Désormais, la plupart des ordinateurs portables sont équipés d'au moins un port USB-C. De plus, de nombreux autres appareils mobiles sont passés à l'USB-C, parallèlement à une augmentation notable des adaptateurs d'alimentation USB-C sur le marché. Simultanément, les fabricants automobiles ont ajouté plus de ports USB-C dans leurs véhicules pour offrir des options de charge améliorées aux conducteurs et aux passagers. Suivant cette tendance, l'adoption de l'USB-C dans les secteurs embarqués et industriels devrait augmenter considérablement dans les prochaines années.

La vision pour 2025 et au-delà est que de nombreux appareils électroniques, actuellement alimentés jusqu'à 240 W, adopteront l'USB-C comme port standard pour les communications de données et la charge.

Parmi les facteurs clés qui stimulent encore l'adoption de l'USB figurent la course aux technologies de batterie, le passage aux applications industrielles et l'acceptation croissante de l'USB dans le monde entier. Les réglementations locales auront également un impact significatif : l'USB Type-C et l'USB PD deviendront obligatoires dans tous les pays de l'Union européenne pour de nombreuses applications d'ici fin 2024. Des discussions similaires sont actuellement en cours aux États-Unis et dans d'autres pays. Suivre ces tendances aujourd'hui ne se résume pas à rester à la pointe de la technologie — c'est devenu une caractéristique concurrentielle importante qui assure une position sur le marché. Mais quels sont les principaux avantages de la technologie qui conduisent à une adoption si rapide de la norme ces dernières années ?

Capacité combinée de données et d'alimentation : l'un des facteurs les plus importants de la croissance rapide de l'USB-C est sa capacité à transmettre des données à haute vitesse, des vidéos et de l'alimentation via un seul connecteur mince. Cette caractéristique permet la conception d'appareils plus petits et plus fins.

Avantage d'unification et de réutilisation : Les adaptateurs d'alimentation traditionnels sont dotés de niveaux de tension et de courant fixes et présentent souvent des connecteurs spécifiques, ce qui signifie qu'ils ne peuvent être utilisés qu'avec leur appareil prévu. Ces adaptateurs ne sont souvent pas compatibles avec d'autres appareils.

En revanche, les adaptateurs secteur USB-C sont universellement compatibles, offrant un connecteur USB Type-C qui fonctionne avec de nombreux appareils. De plus, avec l'adaptateur USB PD de 240 W, il est possible de négocier des tensions et des courants allant jusqu'à 240 W (48 V @5 A). Cela permet de charger tout appareil USB jusqu'à 240 W, y compris les appareils de 5 V ou 15 V, les téléphones de 45 W et les ordinateurs portables de 160 W. Même vos futurs appareils, par exemple outil électrique, vélo électrique ou imprimante 3D grand public pourraient potentiellement être chargés avec le même adaptateur. Un seul adaptateur secteur USB peut être utilisé pour charger de nombreux appareils, ce qui permet de réduire les coûts pour les consommateurs.

Économiser les coûts de R&D et de fabrication : les alimentations électriques personnalisées, qu'elles soient intégrées ou utilisant un connecteur personnalisé, nécessitent souvent des investissements supplémentaires en conception, fabrication et test, en particulier lorsque les quantités de production ne sont pas très élevées.

L'adoption d'un adaptateur secteur USB-C au lieu d'une alimentation personnalisée, ainsi que le contrôleur USB-C PD approprié Infineon pour absorber l'énergie, contribuera à réduire le ratio coût par watt. Cela se produira naturellement en raison de la forte concurrence entre les fabricants de chargeurs sur le marché de masse.

Améliorer le délai de mise sur le marché : en plus des coûts plus élevés pour la conception de chargeurs externes ou intégrés, les solutions personnalisées nécessitent souvent beaucoup plus de temps pour la R&D et des tests supplémentaires. Alors que la simple implémentation USB sink accompagnée du chargeur USB certifié permet un délai de mise sur le marché plus rapide dans la plupart des cas d'application.

Réduire la dépendance vis-à-vis des OEM : une autre situation se présente lorsque l'alimentation électrique ou le module d'alimentation AC/DC intégré provient d'un fabricant OEM. Dans ce cas, l'avenir du projet peut fortement dépendre des plans de fabrication du tiers. Une fois la fonction de charge USB mise en œuvre, tous les adaptateurs USB certifiés ayant des capacités similaires provenant du marché grand public pourraient être utilisés, réduisant ainsi la dépendance à un fournisseur OEM unique.

Réduction des déchets électroniques : à première vue, cela peut ne pas être évident, mais l'unification des chargeurs a un impact significatif sur la protection de l'environnement. Bien que chaque chargeur individuel soit petit, les conséquences environnementales sont importantes si l'on considère les millions de chargeurs jetés chaque année.

Améliorer la perception de la marque : le fait que l'entreprise de design suive les tendances ajoute toujours un attrait supplémentaire pour vos clients potentiels. Imaginez comment vous vous sentiriez si votre entreprise achetait des équipements de mesure modernes et coûteux accompagnés d'un CD pour installer les pilotes et les outils logiciels.

Connecteur USB Type-C : outre tous les facteurs de motivation et avantages de l'USB mentionnés précédemment, la caractéristique la plus importante était l'introduction du connecteur USB Type-C à 24 broches en 2014 (voir Figure 1).

Suivant les dernières tendances de l'industrie, Arrow et Infineon ont introduit la nouvelle conception de référence de puits PD 3.1 de 240 W utilisant le microcontrôleur haute tension EZ-PD™ PMG1-S3 d'Infineon destiné à prendre en charge les applications USB haute puissance. La nouvelle conception de référence prend en charge jusqu'à 48 V @5 A en mode de réception Power Delivery Object (PDO), ce qui est le niveau le plus élevé atteignable avec les dernières normes USB PD.

La conception de référence étend davantage les capacités existantes d'absorption de puissance de la famille de microcontrôleurs haute tension EZ-PD™ PMG1 d'Infineon de 140 W à 240 W, ce qui est important pour de nombreuses applications nécessitant beaucoup de puissance et une charge rapide.

Cette carte de référence de puits de 240 W REF_ARIF240WS3, présentée dans la Figure 4, complète la carte d'évaluation source USB PD 3.1 récemment publiée d'Infineon REF_XDPS2222_240W1. Cette combinaison permet aux ingénieurs d'être parmi les premiers sur le marché à offrir une solution complète source-puits USB PD 3.1 de 240 W.

Le design complémentaire pour source d'alimentation de 240 W, le REF_XDPS2222_240W1 d'Infineon basé sur la technologie CoolGaN™, est un design de référence USB PD 3.1 à haute efficacité, avec une densité de puissance de 25 W/in³, utilisant le XDP™ digital power XDPS2222 PFC + le circuit intégré combo flyback hybride (HFB) (Figure 5).

Le protocole d'acquittement interne entre le contrôleur PFC et HFB et le réglage adaptatif de la tension de bus rendent le contrôleur XDP™ XDPS2222 parfait pour les applications avec une large plage d'entrée AC et une plage de tension de sortie très large, telles que les adaptateurs avec une plage de puissance étendue (EPR) USB PD et les chargeurs de batterie. Les principales caractéristiques incluent le fonctionnement ZVS HFB côté haut et bas, le contrôle rapide du courant de crête HFB, les opérations harmonisées PFC et HFB, le saut d'impulsion en cas de faibles charges, le contrôle automatique d'activation/désactivation du PFC, et le niveau de tension de bus PFC auto-ajustable.

Ces conceptions de référence sont destinées à prendre en charge un large éventail d'applications, telles que les véhicules électriques légers (vélos électriques, trottinettes électriques et autres dispositifs personnels de mobilité électrique), les drones, les robots mobiles, les imprimantes 3D, les équipements AV professionnels, les outils électriques, les équipements médicaux, les appareils électroménagers, les appareils de divertissement à domicile, et plus encore.

Mais en général, toute application nécessitant de 0 à 240 W pourrait bénéficier de l'adoption de l'USB-C pour l'alimentation, ainsi que des fonctionnalités exceptionnelles de l'USB PD fournies par ces conceptions avancées.

Les deux conceptions de référence sont disponibles sur demande. En plus du support technique, Arrow propose une gamme de services d'assistance technique, y compris la personnalisation des schémas et les modifications de PCB, aidant à maximiser le potentiel des conceptions des clients et à réduire le temps de mise sur le marché.