La recente pubblicazione di nuove specifiche USB indica uno spostamento dell'enfasi: da un'interfaccia con una capacità di alimentazione limitata a una combinazione di un'interfaccia dati e un sistema ad alimentazione distribuita.
Tradizionalmente una porta USB ha una potenza limitata: USB 2.0 fornisce un singolo cavo di alimentazione da 5 V con un massimo di 500 mA. Ciò è sufficiente per molti dispositivi più piccoli, ma non per computer portatili o dischi rigidi.
In realtà la porta USB è diventata l'unica presa di alimentazione per molti cellulari, drive allo stato solido e lettori MP3. Oggi solitamente tali dispositivi caricano le batterie utilizzando le porte USB di altri apparecchi, ad esempio computer portatili, automobili, aerei o anche prese a muro. Vi sono inoltre dispositivi "fittizi", come le lampade LED, che sono stati progettati per essere alimentati esclusivamente tramite USB.
L'ultima specifica USB 3.1 aumenta la capacità della corrente a 900 mA in caso di utilizzo di connettori di tipo A tradizionali. Abbinato al nuovo connettore di tipo C, con quattro coppie di alimentazione/terra, un sistema USB 3.x può erogare fino a 3 A, ma sempre solo a 5 V.
Può sembrare elevata, ma non mette a rischio l'utilizzo delle prese a muro diffuse. Per ottenere risultati migliori è necessario un livello di funzionalità più elevato. È qui che entra in gioco la specifica di erogazione dell'alimentazione USB.
Specifica di erogazione dell'alimentazione USB
La specifica di erogazione dell'alimentazione USB (USB PD) consente a USB di andare oltre la capacità di alimentazione con corrente limitata, per diventare una fonte di alimentazione bidirezionale con un assorbimento o un'erogazione fino a 100 W (5 A a 20 V). USB PD è diverso da USB 3.1 e USB-C. I sistemi possono essere conformi a USB 3.1 senza soddisfare le specifiche USB PD o USB-C.
Nell'erogazione dell'alimentazione USB, le coppie di porte USB negoziano la tensione, la corrente e la direzione del flusso di alimentazione sul cavo USB. La direzione dell'alimentazione non è più fissa. Ciò consente al prodotto alimentato (host o periferico) di erogare l'alimentazione. Se le condizioni cambiano, il sistema può rispondere.
Figura 1: Specifiche USB-C e USB PD, una soluzione per tutti i dispositivi (fonte: NXP)
Questa maggiore potenza consente ai dispositivi, quali unità disco e stampanti, di essere alimentati tramite USB, il che consente di eliminare la necessità di un alimentatore separato per ciascun dispositivo e ridurre altresì gli sprechi. Secondo alcune stime, ogni anno negli Stati Uniti e in Europa vengono smaltite oltre 150.000 tonnellate di caricabatteria. Quando la gestione della potenza interessa più periferiche, ciascun dispositivo può utilizzare solo l'alimentazione di cui ha bisogno per il processo in atto e richiedere un'ulteriore alimentazione soltanto quando necessario. Ciò consente una maggiore flessibilità nella distribuzione dell'alimentazione tramite un sistema multidispositivo. Ad esempio, un dispositivo alimentato a batteria può ricevere maggiore alimentazione da un hub, ad esempio un computer portatile, durante la carica, quindi erogare di nuovo l'alimentazione quando viene utilizzato il disco rigido del laptop.
Il connettore USB-C è stato progettato per essere completamente reversibile e a tale scopo è dotato di pin dedicati. Quando viene combinato con l'assemblaggio di cavi contrassegnato elettronicamente (EMCA, Electronically Marked Cable Assembly), USB-C apre la strada per una nuova architettura di distribuzione dell'alimentazione, già presente in nuovi prodotti.
Come può raggiungere questo scopo? USB PD distingue tra le fonti di alimentazione, o host, e gli utilizzatori di corrente, o dispositivi. Nella terminologia USB PD, queste funzioni sono denominate, rispettivamente, porta rivolta a valle (DFP, Downstream Facing Port) e porta rivolta a monte (UFP, Upstream Facing Port).
Nella configurazione più semplice (ad esempio, un'UFP come un'unità flash collegata a una DFP come un computer portatile), l'alimentazione a 5 V scorre solo in una direzione, dalla DFP all'UFP, e l'orientamento del connettore di tipo C UFP nella presa DFP è tutto ciò che deve essere determinato. In questo caso solo la DFP necessita di un controller del canale di configurazione. Il pin Vbus è aperto e l'UFP include un resistore pull-down Rd sul pin CC come illustrato nella figura 2.
Figura 2: Collegamento semplice DFP-UFP (fonte: Cypress Semiconductor)
La DFP è dotata di un resistore di pull-up Rp su entrambi i pin CC (CC1 e CC2). Il valore di Rp indica il valore dell'alimentazione DFP del limite di corrente, illustrato nella tabella 1. Non appena l'UFP viene collegata, la DFP può determinare l'orientamento del connettore monitorando se CC1 o CC2 è abbassato. Nella figura 2 è illustrata questa situazione.
Tabella 1: Corrispondenza fra i valori del resistore e i limiti di corrente DFP (fonte: Cypress Semiconductor)
Questa semplice configurazione prevede solo il funzionamento a 5 V. Se sono necessari più di 3 A o 5 V, deve essere previsto un controllore di configurazione su entrambe le estremità del collegamento.
Il livello successivo di sofisticazione ha la forma di porta a doppio ruolo (DRP, Dual Role Port), che può essere un erogatore di corrente (DFP) o un utilizzatore di corrente (UFP) a seconda delle esigenze. La DRP contiene ora un controllore di configurazione con un blocco di trasmissione/ricezione e include entrambi i resistori Rp e Rd che si collegano al pin CC in base alle esigenze.
Assemblaggio di cavi contrassegnato elettronicamente
La maggior parte dei sistemi USB include un cavo per il collegamento dei dispositivi. Nel sistema USB PD da 5 V/3 A, illustrato nella figura 2, è solo un semplice collegamento elettrico tra la DFP e l'UFP. Un sistema più complesso, con una o più DRP che utilizzano oltre 3 A o 5 V, richiede uno o più EMCA con controllore di configurazione integrato per fornire una contrassegnazione elettronica.
Nella figura 3 viene illustrato un collegamento USB con un EMCA. I controllori di configurazione sono etichettati "CCG1". Poiché sia la DFP sia l'UFP ora funzionano come prese, ciascuna porta contiene i pin CC1 e CC2 invece di CC e Vconn. L'assemblaggio di cavi contrassegnato elettronicamente è dotato di due coppie CC/Vconn.
Il resistore Ra in ciascuna spina indica la presenza di un EMCA sia nella DFP sia nell'UFP. Gli alimentatori Vconn della DFP e dell'UFP sono elettricamente isolati tra loro all'interno del cavo. Poiché entrambi devono permettere l'inversione dei cavi, la DFP e l'UFP ora includono un controllore di configurazione CCG sulle rispettive linee CC1 e CC2.
Figura 3: Collegamento tra la DFP e l'UFP con un EMCA (fonte: Cypress Semiconductor)
Distribuzione dell'alimentazione di nuova generazione
In seguito all'introduzione del gruppo USB 3.1/tipo C/USB PD sono emerse interessanti possibilità per la rivisitazione della distribuzione dell'alimentazione CC. In quest'ottica pochissimi dispositivi utilizzano una presa a muro per l'alimentazione. L'alimentazione CC viene invece distribuita alla maggior parte dei dispositivi da alimentatori integrati, come illustrato nella figura 4.
Qui uno schermo è collegato a una presa a muro standard e include un alimentatore che eroga l'alimentazione CC a più dispositivi, ciascuno con la propria DRP o UFP a seconda del dispositivo. Parallelamente ai dati di configurazione e alimentazione avviene anche la normale comunicazione di dati seriali USB normali.
Figura 4: Potenziale architettura futura della distribuzione dell'alimentazione tramite USB PD (fonte: USB.org)
Chi guarda al futuro approfondisce ulteriormente questo concetto e prevede che il cablaggio CC a bassa tensione tramite USB potrebbe diventare standard nelle case e negli uffici, fornendo dati e alimentazione a tutti i dispositivi collegati. Un vantaggio è rappresentato dal fatto che tale rete funzionerebbe bene con l'energia prodotta da un pannello solare locale, che attualmente viene ridistribuita nella rete elettrica tramite una complessa rete di inverter.
In un mondo post-Stuxnet, tuttavia, vi sono chiare implicazioni di sicurezza che non sono state ancora risolte in modo soddisfacente. La questione della crittografia e autenticazione sulle reti distribuite è oggetto di grande interesse nell'ambito dell'ecosistema IoT. Si prevede che saranno presto disponibili soluzioni valide e a basso costo.
È la vendetta di Edison? Non ancora.
La corrente continua a bassa tensione distribuita indica la fine dell'alimentazione CA nelle case? Non esattamente. Sebbene l'alimentazione USB possa essere adeguata per la maggior parte dei dispositivi di intrattenimento ed elaborazione, anche i piccoli elettrodomestici ne utilizzano molta di più: caffettiera ~200 W; frullatore ~300 W; macchina per fare popcorn ~250 W. Molti altri dispositivi, ad esempio i condizionatori, le lavatrici, le asciugatrici e gli utensili elettrici, utilizzano migliaia di watt o richiedono un'alimentazione multifase.
Ciò che potrebbe succedere è un sistema parallelo di alimentazione CC e CA: CC per i dispositivi di intrattenimento, i computer, i cellulari, i dispositivi IoT e forse i sistemi di illuminazione e allarme e CA per tutto il resto.
Arrow Electronics e i nuovi standard USB
La specifica USB PD, USB 3.1 e il connettore USB-C rappresentano il nuovo standard e il futuro delle comunicazioni seriali in numerose industrie, nonché un'eccezionale opportunità per i fornitori di semiconduttori, connettori, cavi e altro. Le ramificazioni interesseranno praticamente tutti mercati dei consumatori. Naturalmente Arrow e i suoi fornitori saranno sempre all'avanguardia.
Arrow ha stretto una collaborazione con NXP per introdurre sul mercato un insieme esauriente di prodotti, formazione e supporto mirato ad aiutare i clienti a implementare soluzioni USB-C di prim'ordine in tempi record, compresa la prima soluzione USB-C completa del settore, oltre alle funzioni di autenticazione ed erogazione dell'alimentazione.
Inoltre altri fornitori Arrow, quali Microchip, TI e Cypress Semiconductor offrono proprie famiglie di prodotti USB-C.