Les contrôleurs collecteurs USB PD 3 alimentent les applications USB Type-C

La fenêtre d'opportunité se referme rapidement sur les chargeurs de dispositifs propriétaires, car les régulateurs régionaux commencent à exiger une solution de charge commune basée sur un connecteur et un câble USB Type-C® standard. Les concepteurs de produits qui s'efforcent de devancer les exigences régionales de conformité à cette norme peuvent optimiser leurs applications pour cette nouvelle ère en adoptant des contrôleurs collecteurs USB Power Delivery (PD) qui négocient la distribution de puissance entre les dispositifs et les chargeurs.

Après décembre 2024, dans l'Union européenne, tout dispositif filaire et rechargeable nécessitant jusqu'à 100 W (les ordinateurs portables étant temporairement exemptés de l'obligation jusqu'en 2026) devra utiliser le port rechargeable USB Type-C conforme aux spécifications USB PD. D'autres mandats pour l'adoption de cette norme entreront en vigueur en 2025 en Inde et en Arabie Saoudite, puis en 2026 en Californie.

L'USB Type-C seul ne peut fournir que 5 V à 3 A, pour un total de 15 W. Pour atteindre 100 W, les spécifications USB PD 3.0 ou USB PD 3.1 sont requises, garantissant que les connecteurs Type-C peuvent négocier des tensions plus élevées tout en transférant des données à haut débit.

L'USB PD 3.0 prend en charge une puissance jusqu'à 100 W et des tensions fixes de 5 V, 9 V, 15 V et 20 V, avec un courant maximum de 5 A. La spécification USB PD 3.1 mise à jour ajoute des caractéristiques de plage de puissance étendue (Extended Power Range, EPR) et d'alimentation en tension avancée (Advanced Voltage Supply, AVS), augmentant la puissance de sortie jusqu'à 240 W et ajoutant trois nouvelles tensions fixes de 28 V, 36 V et 48 V.

Les spécifications USB PD 3.x améliorent les versions PD 2.0 antérieures en augmentant la quantité d'informations échangées entre un collecteur (le périphérique recevant de l'énergie) et une source (le périphérique fournissant de l'énergie) pour inclure des facteurs qui peuvent avoir un impact sur l'application, tels que l'état de charge de la batterie du dispositif, la température de la batterie, les défaillances et les surtensions.

Les 100 W de puissance délivrés via USB PD 3.0 sont suffisants pour charger certains ordinateurs portables et moniteurs, et même certains téléviseurs. USB PD prend également en charge la sortie vidéo et audio, y compris DisplayPort et HDMI, ainsi que les protocoles de transfert de données tels que Thunderbolt 3.

Fournir des applications améliorées

Les concepteurs de produits peuvent tirer parti de l'USB PD 3.x pour offrir aux utilisateurs une meilleure expérience avec une charge et un transfert de données plus rapides, et une compatibilité des dispositifs avec un seul câble et un seul connecteur. Ils peuvent se targuer de contribuer à la réduction des déchets électroniques qui s'accumulent lors de l'utilisation par les consommateurs et les entreprises de plusieurs câbles et chargeurs pour charger plusieurs dispositifs.

La technologie permet aux développeurs de simplifier les conceptions en réduisant le nombre de ports et de composants. Elle leur permet également de réduire les coûts de fabrication et d'expédition en éliminant le poids et l'emballage supplémentaire des chargeurs, ainsi que le temps et les efforts nécessaires pour mettre à jour les nouveaux chargeurs spécifiques aux dispositifs.

En utilisant un seul câble et un seul connecteur pour plusieurs fonctions, les concepteurs peuvent se concentrer sur la création de nouvelles applications améliorées qui exploitent la puissance et les débits de données élevés de l'USB Type-C PD. Ils peuvent également améliorer l'expérience utilisateur et les fonctionnalités de leurs produits grâce à des fonctionnalités supplémentaires telles que des stations d'accueil, des concentrateurs et des convertisseurs qui étendent la connectivité et la compatibilité des dispositifs.

En développant de nouvelles applications utilisant l'USB PD 3.0, les concepteurs de produits sont confrontés à plusieurs défis, tels que le respect des spécifications USB PD et la garantie de l'interopérabilité avec d'autres dispositifs et chargeurs.

La prévention des dommages ou des blessures dus à une surtension, une surintensité ou une inversion de polarité est un autre problème crucial, d'autant plus que les solutions recourant à cette technologie utilisent des circuits et des micrologiciels plus complexes que les générations précédentes. Les contrôleurs de distribution de puissance qui prennent en charge plusieurs protocoles et configurations, ainsi que les cartes d'évaluation qui permettent un prototypage et une vérification rapides, contribuent à surmonter ces défis.

Mettre l'USB Type-C PD en œuvre

L'une des clés de l'USB PD 3.0 réside dans la capacité de négocier et de gérer la distribution de puissance entre un collecteur et une source d'alimentation à l'aide d'un protocole standardisé. Les contrôleurs collecteurs USB PD négocient avec une source USB PD, par exemple un chargeur, pour acquérir le profil de puissance d'un dispositif. Les dispositifs conformes peuvent demander et fournir différents courants et tensions en fonction de leurs besoins et capacités, et ajuster dynamiquement les niveaux de puissance pendant le fonctionnement.

Le processus de négociation et de gestion de la distribution de puissance comprend quatre étapes :

• La découverte a lieu lorsque le collecteur et la source s'identifient mutuellement en tant que dispositifs compatibles USB PD et établissent un canal de communication de données via les broches du canal de configuration (CC) sur le connecteur USB Type-C.
• L'échange de capacités intervient lorsque la source identifie ses profils de puissance pris en charge — niveaux de tension et de courant — pour le collecteur, qui demande ensuite un profil qui correspond à ses exigences.
• Le contrat de puissance est un processus permettant à la source d'accepter ou de rejeter la demande du collecteur. Si la demande est acceptée, la source commence à fournir la puissance demandée au collecteur en utilisant les paramètres de puissance convenus.
• La mise à jour des règles de puissance permet au collecteur ou à la source d'initier une nouvelle négociation de puissance pour s'adapter aux variations des niveaux de batterie ou de la charge sur le collecteur, ou aux changements de la puissance d'entrée de la source.

L'USB PD 3.0 utilise des messages étendus, régissant l'échange d'informations entre un collecteur et une source, comme l'état de la batterie, la température ou les données spécifiques au fabricant. Il prend également en charge le mode d'alimentation programmable (PPS), permettant un contrôle plus précis de la tension et du courant de sortie de la source, ainsi qu'une commutation transparente des rôles de puissance entre le collecteur et la source sans perturber la communication de données.

Une autre fonctionnalité clé de l'USB PD 3.0 est la charge inverse, qui permet à un dispositif doté d'une capacité de batterie supérieure de charger un dispositif doté d'une capacité de batterie inférieure, indépendamment de leurs rôles de puissance. Ainsi, par exemple, en utilisant le même câble USB Type-C, un ordinateur portable peut charger un smartphone, ou ce même smartphone peut charger un casque, un avantage évident pour les utilisateurs qui n'ont besoin que d'un seul câble pour charger plusieurs dispositifs.

La charge inverse peut ne pas être compatible avec tous les dispositifs ou chargeurs. De plus, cela peut entraîner une réduction de la durée de vie de la batterie du dispositif fonctionnant comme source et augmenter la complexité et le coût de la conception du circuit. Ainsi, comme avec toutes les applications électroniques, les concepteurs de produits doivent peser le pour et le contre de la mise en œuvre de la charge inverse pour s'assurer qu'ils respectent les spécifications USB PD 3.x, et tester l'interopérabilité avec un éventail de dispositifs et de chargeurs.

Contrôleurs collecteurs USB 3

Pour activer les fonctionnalités USB PD 3.x dans leurs dispositifs, les concepteurs de produits peuvent utiliser des contrôleurs collecteurs dédiés qui prennent en charge le protocole et gèrent la communication avec le dispositif source.

Diodes Incorporated propose des solutions hautement intégrées et rentables qui offrent la charge rapide, la charge inverse, le mode PPS et d'autres fonctionnalités USB PD 3.x. Ces solutions prennent également en charge les protocoles existants tels que Qualcomm Quick Charge 4+ et Huawei FCP/SCP, garantissant la compatibilité avec un large éventail de chargeurs et d'adaptateurs.

L'AP33771 (Figure 1) est un contrôleur USB PD 3.0 doté d'un micrologiciel compatible USB PD 3.0 et d'une interface avec un menu de puissance préchargé, ce qui simplifie son utilisation. Il fournit un canal de sortie pouvant délivrer jusqu'à 27 W de puissance.

Figure 1 : Affectation des broches du contrôleur collecteur AP33771. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

L'AP33772 (Figure 2) est un contrôleur USB PD 3.0 qui utilise une interface I²C et un micrologiciel intégré pour négocier la puissance et la tension. Les concepteurs bénéficient ainsi d'une plus grande flexibilité pour mettre en œuvre toutes les fonctions de collecteur PD. Ce contrôleur présente également deux canaux de sortie pouvant délivrer jusqu'à 45 W de puissance, et il intègre un circuit de protection contre les surtensions (OVP) pour chaque canal, ce qui permet d'éviter d'endommager le dispositif en cas de chargeur ou de câble défectueux.

Figure 2 : Le contrôleur collecteur AP33772 de Diodes est fourni dans le même format de boîtier que l'AP33771, mais avec des affectations de broches différentes. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Diodes propose également un contrôleur collecteur USB PD 3.1, l'AP33771C, qui prend en charge les caractéristiques EPR/AVS jusqu'à 28 V et SPR (plage d'alimentation standard)/PPS jusqu'à 21 V.

Chacun de ces contrôleurs présente une faible consommation en veille, un haut rendement et une protection thermique. Ils sont disponibles en boîtiers W-QFN4040-24 à faible encombrement (4 mm x 4 mm), ce qui les rend adaptés aux dispositifs compacts et portables.

De plus, Diodes propose deux cartes d'évaluation pour ses contrôleurs USB PD 3.0. Les cartes AP33771-EVB et AP33772-EVB sont toutes les deux destinées aux applications de charge utilisant un dispositif équipé d'un connecteur Type-C et un adaptateur ou un chargeur PD équipé d'un connecteur Type-C. L'AP33771-EVB utilise un simple réglage de résistance pour la négociation USB-PD, tandis que l'AP33772-EVB utilise I²C.

Conclusion

L'USB Type-C est en passe de devenir la norme mondiale pour la connectivité des données des dispositifs. Les protocoles USB PD 3.x offrent aux concepteurs de produits un moyen de créer des applications fournissant plus de puissance, une charge plus rapide et un meilleur transfert de données pour leurs dispositifs à l'aide de connecteurs et de câbles acceptés dans le monde entier, éliminant ainsi le besoin de chargeurs spécifiques au dispositif. Avec les solutions de Diodes Incorporated, les concepteurs de produits peuvent facilement intégrer l'USB PD 3.0 ou PD 3.1 dans leurs dispositifs pour augmenter les performances et améliorer l'expérience utilisateur.