Premiers pas avec USB-C Power Delivery

Par Bill Giovino

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

La spécification USB Type-C™ introduit de nouvelles options permettant de fournir une alimentation évolutive par USB, mais il s'agit également d'une spécification complexe qui pose aux développeurs des problèmes de sécurité et de configuration.

Cet article présente les solutions de prise USB Type-C (ou USB-C) et explique aux développeurs comment intégrer et configurer ces embases USB-C dans une nouvelle conception de manière à fournir une puissance USB évolutive à des dispositifs externes.

Présentation de la spécification USB-C

La norme USB 1.1 d'origine spécifiait un courant maximum de 500 mA à 5 V (2,5 W), tout comme la norme USB 2.0. Tout a changé avec la spécification USB 3.1, qui permet un courant maximum de 900 mA. Toutes ces spécifications utilisent le connecteur USB rectangulaire bien connu. Cependant, la technologie USB est devenue omniprésente. Ses applications se sont multipliées et les exigences en matière de compatibilité des connecteurs et de capacité à distribuer de la puissance se sont renforcées.

Ces exigences ont conduit à l'élaboration de la norme USB Type-C™. La norme USB-C n'est pas une spécification de distribution de données, mais une nouvelle norme de connecteur USB miniature. Depuis ses débuts, la technologie USB fait face à des problèmes de compatibilité des connecteurs. Depuis toujours, la loi de Murphy s'applique au branchement du connecteur USB Type-A rectangulaire standard : quelle que soit la manière dont l'utilisateur branche le connecteur polarisé, il est toujours à l'envers (Figure 1). Même dans le bon sens, il arrive que le connecteur ne s'adapte pas correctement, ce qui nécessite des opérations répétées de connexion et de déconnexion.

Image de plusieurs types de connecteurs USB

Figure 1 : Les nombreux types de connecteurs USB posent des problèmes aux développeurs et aux utilisateurs depuis la norme USB 1.1. Le connecteur le plus fréquent sur les ordinateurs grand public est le connecteur USB Type-A, utilisé pour les normes USB 1.1, 2.0, 3.0 et 3.1. (Source de l'image : Wikipédia)

Étant donné la grande taille du connecteur Type-A polarisé, les connecteurs polarisés plus compacts de type micro et mini ont été mis au point pour faciliter l'intégration dans les petits dispositifs grand public. Mais ils présentaient les mêmes problèmes d'orientation que le Type-A pour les développeurs et les utilisateurs.

Le nouveau connecteur USB-C (en bas à droite de la Figure 1) n'est que légèrement plus grand que le connecteur USB micro-B que l'on trouve sur les smartphones Android et les dispositifs Internet des Objets (IoT). Il remplace à la fois le connecteur de l'ordinateur (hôte) et celui du périphérique, ce qui permet de remplacer plusieurs types de câble par un seul. En outre, le connecteur USB-C n'a pas d'orientation à respecter, ce qui permet un branchement fiable quelle que soit la manière dont il est inséré.

Brochage et niveaux de puissance du connecteur USB-C

Le connecteur USB-C prend en charge les normes USB 2.0 et USB 3.1. En cas d'utilisation avec USB 3.1, la norme exige une rétrocompatibilité avec USB 2.0. Cela constitue également une recommandation pour les nouvelles conceptions. Cependant, pour les conceptions à faible débit de données, le connecteur peut également être utilisé pour la norme USB 2.0 uniquement.

Schéma de l'embase USB-C à 24 broches de STMicroelectronics

Figure 2 : Le connecteur USB-C à 24 broches est réversible et non polarisé, ce qui permet de le brancher facilement dans n'importe quel sens. (Source de l'image : STMicroelectronics)

En ce qui concerne le brochage du connecteur USB-C, les quatre broches de masse (GND) se situent vers l'extérieur du connecteur (Figure 2). Cela garantit une immunité au bruit et permet également un branchement facile au capot métallique du connecteur relié à la terre. Les broches de données bidirectionnelles USB 2.0 standard D+ et D- sont dupliquées au centre et sont obligatoires pour toutes les applications de transmission de données USB-C. La norme USB 3.1 présente des chemins de données d'émission et de réception haut débit distincts, avec les broches de réception RX1+ et RX1- doublées avec les broches RX2+ et RX2-. Les chemins de données d'émission USB 3.1 sont les mêmes avec TX1+ et TX1-, et TX2+ et TX2- dupliquées.

Le connecteur USB-C prend également en charge la transmission vidéo, notamment DisplayPort et HDMI. C'est ce que la norme appelle le mode alterné, mais nous n'aborderons pas ce point dans cet article.

Ce qui nous importe ici, c'est que la norme des connecteurs USB-C spécifie un courant maximum jusqu'à 3,0 A à 5 V pour jusqu'à 15 W de puissance. La norme USB Power Delivery v2.0 va encore plus loin en spécifiant qu'un connecteur USB-C compatible USB 3.1 peut fournir jusqu'à 100 W de puissance (20 V à 5 A). Cette puissance est fournie au niveau des quatre broches VBUS. L'interface USB ne se contente plus d'être une source d'alimentation auxiliaire et devient ainsi une source d'alimentation primaire.

L'implémentation de conceptions de connecteurs USB-C peut être délicate

La prise en charge d'une puissance pouvant atteindre 100 W dans un projet nécessite une configuration minutieuse de la carte afin de garantir la sécurité de l'utilisateur et du développeur. La plupart des projets n'ont pas besoin d'autant de puissance. Par exemple, un chargeur de smartphone à très fort courant peut être caractérisé à 3,0 A. Toutefois, l'idéal pour la plupart des connecteurs USB-C commerciaux est d'avoir 5,0 A entre les broches VBUS et GND. C'est chose faite avec le connecteur USB-C à angle droit 10137062-00021LF USB 3.1 de 1re génération d'Amphenol FCI (Figure 3).

Image du connecteur USB-C 10137062-00021LF d'Amphenol FCI

Figure 3 : Le connecteur USB-C 10137062-00021LF d'Amphenol FCI est un connecteur court à angle droit à montage supérieur, et qui peut être monté en surface ou par trous traversants. (Source de l'image : Amphenol FCI)

Ce connecteur USB-C prend en charge 5 A maximum. Pour fournir 100 W, il lui faut donc 20 VCC. Cependant, pour la plupart des projets, il est suffisant et sûr d'avoir 25 W (5 V à 5 A). Ce connecteur USB-C prend en charge le taux de transfert de données de la norme USB 3.1 de 1re génération, soit 5 Gbps, et sa tension nominale maximale est de 100 VCC ou VCA, pouvant fournir 1 A maximum, conformément à la puissance maximale de 100 W pour cette spécification.

Ce connecteur est compatible avec le montage en surface ou l'assemblage traversant, et se place sur le dessus de la carte à circuit imprimé. Le capot du connecteur en acier inoxydable est plus résistant que l'aluminium et présente une liaison électrique avec les broches GND.

Le capot doit être mis à la terre à l'aide de quatre petites languettes à insérer dans des encoches sur la carte à circuit imprimé (deux de chaque côté du connecteur). Il convient de souder ces languettes au plan de masse du circuit imprimé en utilisant une quantité généreuse de métal d'apport afin de garantir un branchement solide.

Routage des signaux de connecteur USB-C

Les signaux différentiels haute vitesse USB 3.1 doivent être routés avec soin, de sorte qu'ils soient adjacents et présentent exactement la même longueur. Pour réduire les interférences électromagnétiques (EMI), il convient de garder les pistes de signaux différentiels aussi courtes que possible. Pour une immunité au bruit optimale, placez les signaux différentiels sur une couche interne du circuit imprimé. S'ils sont routés sur une couche externe du circuit imprimé, isolez les signaux des autres lignes de données en entourant les pistes des paires différentielles par des pistes de terre. Pour réduire les interférences électromagnétiques, veillez également à toujours effectuer le routage des signaux différentiels sur un plan de masse robuste.

Concevez la carte à circuit imprimé de manière à ce que l'impédance de la piste différentielle soit de 90 ohms ±10 % afin de correspondre à l'impédance différentielle du câble USB. En outre, effectuez le routage de chaque piste pour que l'impédance asymétrique de chaque paire soit la même. En règle générale, dans ce genre de situation, l'impédance d'une paire différentielle est deux fois supérieure à l'impédance de l'une des paires. Ainsi, le routage des pistes doit être effectué de manière à ce que chaque impédance asymétrique soit ou s'approche de 45 ohms ±10 %.

Routage sécurisé des signaux de puissance USB-C

Le routage des signaux de puissance est plus critique. La génération sécurisée de 5 A nécessite des précautions afin d'éviter les courts-circuits accidentels, tant pour le boîtier que pour l'utilisateur. Ces 5 A peuvent être routés sur une couche supérieure ou inférieure du circuit imprimé, mais pas trop près du bord de la carte. Cela permet d'éviter les connexions accidentelles causées par un choc ou d'endommager le boîtier.

Pour router en toute sécurité 5 A sur un circuit imprimé sur cuivre avec une épaisseur de 2 oz/sq ft, une piste de 44,6 mils est requise. Une méthode plus sûre consiste à isoler le courant de toute influence externe en routant les 5 A sur une couche interne du circuit imprimé, ce qui nécessite une largeur de piste de 116 mils avec la même densité de cuivre (calculs basés sur le profil IPC-2221). Pour éviter les pertes de courant, il convient de router autant de cuivre que possible à proximité des broches du connecteur VBUS.

Connecteurs USB-C à montage vertical

Si l'espace sur la carte à circuit imprimé se fait rare, l'embase USB-C peut être montée à la verticale. Pour ce faire, Amphenol FCI propose le connecteur USB-C à montage vertical 10132328-10011LF, répondant à la norme USB 3.1.

Image du connecteur USB-C à montage vertical d'Amphenol FCI

Figure 4 : Ce connecteur USB-C à montage vertical d'Amphenol FCI occupe très peu d'espace sur le circuit imprimé et peut être utilisé pour gagner de la place. (Source de l'image : Amphenol FCI)

Ce connecteur USB-C vertical prend en charge la norme de données USB 3.1 de 2e génération, soit 10 Gbps. Il prend également en charge la distribution de puissance de 100 W, avec une tension nominale maximale de 100 VCC ou VCA, et peut générer jusqu'à 5 A. Tout comme le connecteur à angle droit, son capot est en acier inoxydable. Comme pour le connecteur à angle droit, assurez-vous de bien mettre à la masse les quatre languettes du logement en les insérant dans les trous traversants de la carte à circuit imprimé et en y appliquant une quantité généreuse de métal d'apport.

À l'inverse de la prise à angle droit, ce connecteur se monte en surface uniquement, du plus petit côté du connecteur, ce qui rapproche les contacts de puissance VBUS des contacts de signal. Il est primordial d'éloigner soigneusement les contacts de puissance des contacts de signal. Étant donné l'espace restreint, la méthode la plus sûre consiste à placer les paires de données et les contacts de puissance VBUS sur différentes couches du circuit imprimé.

Lors de l'alimentation des embases ci-dessus, une brève mise en liaison entre l'hôte USB et le périphérique détermine la quantité de puissance à générer. Des circuits intégrés gèrent les connexions réception-source USB, ce qui rend le processus transparent pour le développeur.

Le contrôleur source USB-C STUSB1700 de STMicroelectronics est un très bon exemple. Il permet de gérer en toute sécurité les connexions 5 A entre l'hôte USB-C et le périphérique. Lors de la distribution de puissance, le STUSB1700 peut détecter les courts-circuits, la consommation de courant supérieure à une limite programmée, la surchauffe au-dessus de 145°C, les conditions de sous-tension et de surtension, les conditions de courant inverse et de tension inverse, et assurer une protection contre ces menaces. Cela permet de concevoir beaucoup plus facilement un système USB-C sûr, tout en réduisant la complexité pour le développeur.

Schéma du STUSB1700 de STMicroelectronics fournissant une puissance de 3 A (cliquez pour agrandir)

Figure 5 : Dans ce circuit, le STUSB1700 fournit une puissance de 3 A et peut fonctionner de manière indépendante. En cas de gestion par un microcontrôleur optionnel avec une interface I2C, il convient d'ajouter les résistances d'excursion haute R3 à R10. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le STUSB1700 est utilisé pour les connecteurs hôtes USB-C et peut détecter une nouvelle connexion entre l'hôte et un périphérique. Il est capable de déterminer les besoins en puissance du périphérique et de fournir le courant nécessaire. Il détermine également si le dispositif est un accessoire audio numérique, de manière à activer un signal vers le microcontrôleur afin de générer les données audio numériques via le port USB-C. Il peut négocier avec le périphérique USB pour décider si la puissance doit correspondre au courant USB par défaut (jusqu'à 900 mA), au courant USB moyen (jusqu'à 1,5 A) ou au courant USB élevé (jusqu'à 3,0 A).

Conclusion

La nouvelle norme USB-C permet de fournir en toute sécurité jusqu'à 100 W à des dispositifs conçus de manière adéquate. Avec tous les smartphones, appareils photo numériques, ordinateurs et accessoires électroniques standardisés sur un seul connecteur facile à utiliser, les développeurs n'ont pas à se soucier de la taille ni du type de connecteur à utiliser, ce qui permet de créer des conceptions durables.

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À propos de l'auteur

Bill Giovino

Bill Giovino est un ingénieur en électronique titulaire d'un BSEE de l'Université de Syracuse, et l'une des rares personnes à avoir réussi à passer de l'ingénierie de conception à l'ingénierie des applications sur le terrain et au marketing technologique.

Depuis plus de 25 ans, Bill œuvre à la promotion des nouvelles technologies devant un public technique et non technique pour de nombreuses entreprises, notamment STMicroelectronics, Intel et Maxim Integrated. Chez STMicroelectronics, Bill a contribué aux premiers succès de l'entreprise dans l'industrie des microcontrôleurs. Chez Infineon, Bill a orchestré les premiers succès de l'entreprise en matière de conception de microcontrôleurs dans l'industrie automobile américaine. En tant que consultant marketing pour son entreprise CPU Technologies, Bill a aidé de nombreuses entreprises à transformer des produits sous-performants en réussites.

Bill a été l'un des premiers à adopter l'Internet des objets, notamment en mettant la première pile TCP/IP complète sur un microcontrôleur. Bill pense que les ventes passent par l'éducation et accorde une importance croissante à une communication claire et bien écrite pour la promotion des produits en ligne. Il est modérateur du groupe populaire LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing et parle couramment le B2E.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key