Autores: Anand Kannan – Infineon Technologies y Alexander Guba – Arrow Electronics
El artículo explora el estándar USB Power Delivery (PD) y muestra la evolución de la norma hasta su actual especificación USB PD 3.2, que admite un suministro y carga de hasta 240 W (48 V, 5 A). Además, el artículo ofrecerá una visión general de una solución tanto de fuente como receptor, que soporta 240 W utilizando los controladores del lado primario y secundario de Infineon, los microcontroladores de alta tensión EZ-PD™ PMG1 con USB-C PD integrado y los transistores de potencia CoolGaN™ de Infineon. Analizaremos las principales tendencias y exploraremos por qué implementar USB-C en 2024 ya no se considera una innovación, sino un buen enfoque para seguir siendo competitivos con nuevos diseños.
En la actualidad, USB es un conjunto de normas muy reconocido en aplicaciones de consumo y automoción, y se está extendiendo rápidamente al sector industrial y al de la e-movilidad. Desde la primera revisión oficial de USB 1.0 en 1996, que soportaba una transferencia de datos de hasta 1,5 Mbps y hasta 2,5 W de potencia, ha evolucionado hasta soportar unos increíbles 80 Gbps y 240 W a través de un único cable USB-C. No obstante, aproximadamente la mitad de los visitantes del stand de Arrow interesados en este tema en Embedded World 2024 se sorprendieron al saber que los estándares USB ya admiten 240 W.
Conector USB tipo C
Profundicemos en los detalles del conector estándar USB tipo C. La gran ventaja de este conector es que, gracias a su diseño simétrico, funciona independientemente del lado que se conecte. Este conector admite un suministro de energía de hasta 240 W y se adapta a protocolos como HDMI, DisplayPort, Thunderbolt y otros a través de su modo Alt. Este conjunto de características ha influido notablemente en la industria.
Imagen 1. Conector USB tipo C
Echemos un vistazo a los pines del conector (ver Figura 1): los pines CC1 y CC2 -conocidos como pines de configuración del cable- se utilizan para controlar la orientación y determinar los roles: DFP (Downstream Facing Port) para la fuente de alimentación, UFP (Upstream Facing Port) para el dispositivo receptor, y DRP (Dual-Role Port) para ambos roles. Otra función de las líneas CC es facilitar la transferencia de datos cuando se negocian contratos de suministro de energía entre fuente y dispositivo.
Hay cuatro pares diferenciales etiquetados RX/TX para USB de 5 Gbps o mayor velocidad, utilizados a partir de USB 3.1. Estas líneas funcionan en modo full-duplex, mientras que los dos pares de pines heredados, D+/D-, situados en el centro, funcionan en modo semidúplex. Los pines etiquetados como «SBU» o Sideband Use se utilizan para modos Alt, como habilitar la salida de vídeo para DisplayPort o Thunderbolt. Los pines «VBUS» se utilizan para suministrar una potencia de hasta 240 W y los cuatro pines externos «GND» están destinados a la conexión a tierra. Una conexión a tierra adecuada es esencial para usar USB-C a altas velocidades de datos y en casos de suministro de alta potencia a través del conector.
Especificación USB Power Delivery
Profundicemos ahora en el estándar USB Power Delivery. Como ya se ha mencionado, las versiones iniciales del estándar USB permitían una potencia máxima de 2,5 W (5 V x 500 mA) a través de VBUS. Con USB 3.0, este valor aumentó ligeramente a 4,5 W (5 V x 900 mA), pero seguía siendo insuficiente para muchas aplicaciones.
Imagen 2. Rango de potencia ampliado USB PD 3.2
Con la introducción de USB tipo C y Power Delivery en 2014, las capacidades de alimentación USB aumentaron significativamente. Por defecto, con los medios del USB tipo C, la potencia máxima disponible aumentó a 15 W (5 V @ 3 A). Pero con la implementación completa del USB PD, se hizo posible suministrar hasta 100 W (20 V @ 5 A) desde una única fuente USB.
A partir del USB Power Delivery 3.1, la especificación permite hasta 240 W (48 V @ 5 A). Todos los niveles de tensión superiores a 20 V se clasifican ahora como rango de potencia ampliado (Extended Power Range, EPR). La especificación también incluye soporte para un modo de alimentación de tensión ajustable (Adjustable Voltage Supply, AVS), que permite ajustar la tensión en pasos de 100 mV para tensiones superiores a 15 V.
Evolución de las tendencias del mercado
USB es un estándar con casi 30 años de antigüedad, pero las mejoras más significativas en velocidad y potencia se han observado recientemente. En los últimos ocho años, USB-C ha sido adoptado por los principales fabricantes de dispositivos, como los de ordenadores portátiles, teléfonos móviles, etc.
Ahora, la mayoría de los portátiles cuentan con al menos un puerto USB-C. Además, muchos otros dispositivos móviles se han pasado al USB-C, junto con un notable aumento de adaptadores de corriente USB-C en el mercado. Simultáneamente, los fabricantes de automóviles han añadido más puertos USB-C en sus vehículos para ofrecer mejores opciones de carga a conductores y pasajeros. Siguiendo esta tendencia, se espera que la adopción de USB-C en los sectores embebido e industrial aumente significativamente en los próximos años.
La visión para 2025 y más allá es que muchos dispositivos electrónicos, actualmente alimentados con hasta 240 W, adoptarán
USB-C como puerto estándar para comunicación de datos y carga.
Imagen 3. Principales tendencias del mercado
Entre los factores clave que impulsan aún más la adopción de USB se encuentran la carrera en las tecnologías de baterías, el cambio a aplicaciones industriales y la creciente aceptación de USB en todo el mundo. Las normativas locales también tendrán un impacto significativo: USB tipo C y USB PD serán obligatorios en todos los países de la Unión Europea para muchas aplicaciones a finales de 2024. Actualmente se están discutiendo medidas similares en Estados Unidos y otros países.
Hoy en día, seguir estas tendencias no es sólo mantenerse a la vanguardia de la tecnología: se ha convertido en una importante característica competitiva que asegura una posición en el mercado.
Principales ventajas
Pero, ¿cuáles son las principales ventajas de la tecnología que han impulsado la rápida adopción de la norma en los últimos años?
- Capacidad combinada de datos y alimentación: Uno de los motores más importantes del rápido crecimiento de USB-C es su capacidad para transmitir datos a alta velocidad, vídeo y alimentación a través de un único y fino conector. Esto permite diseñar dispositivos más pequeños y delgados.
- Ventaja de unificación y reutilización: Los adaptadores de corriente tradicionales vienen con niveles fijos de voltaje y corriente y suelen tener conectores de barril exclusivos, lo que significa que sólo se pueden usar con el dispositivo al que están destinados. Estos adaptadores no suelen ser compatibles con otros dispositivos.
Por el contrario, los adaptadores de corriente USB-C son universalmente compatibles, ya que ofrecen un conector USB tipo C que funciona en muchos dispositivos. Además, con el adaptador USB PD de 240 W, es posible negociar tensiones y corrientes de hasta 240 W (48 V @ 5 A). Esto permite cargar cualquier dispositivo USB de hasta 240 W, incluidos dispositivos de 5 V o 15 V, teléfonos de 45 W y portátiles de 160 W. Incluso tus futuros dispositivos, como una herramienta eléctrica, una bicicleta eléctrica o una impresora 3D, podrían cargarse con el mismo adaptador. Un único adaptador de corriente USB puede utilizarse para cargar muchos dispositivos, con el consiguiente ahorro de costes para los consumidores.
- Ahorro de costes de I+D y fabricación: Las fuentes de alimentación a medida, ya sean integradas o que utilicen un conector personalizado, suelen requerir inversiones adicionales en diseño, fabricación y pruebas, especialmente cuando las cantidades de producción no son muy elevadas.
La adopción de un adaptador de alimentación USB-C en lugar de una fuente de alimentación personalizada junto con un controlador Infineon USB-C PD adecuado para absorber la energía ayudará a reducir el coste por vatio. Esto sucederá naturalmente debido a la enorme competencia entre los fabricantes de cargadores en el mercado de masas.
- Mejorar el tiempo de comercialización: Además de los costes más elevados del diseño del cargador externo o integrado, las soluciones personalizadas suelen requerir mucho más tiempo para I+D y pruebas adicionales. Mientras que la sencilla implementación del dispositivo USB junto con el cargador USB certificado permite una comercialización más rápida en la mayoría de los casos de aplicación.
- Reducir la dependencia de los OEM: Otra situación se produce cuando la fuente de alimentación o el módulo de alimentación CA/CC integrado proceden de un fabricante OEM. En este caso, el futuro del proyecto puede depender en gran medida de los planes de fabricación del tercero. Una vez implantada la función USB, podrían utilizarse todos los adaptadores USB certificados con capacidades de alimentación similares del mercado de consumo, lo que reduciría la dependencia de un único proveedor OEM.
- Reducción de los residuos electrónicos: A primera vista, puede no resultar evidente, pero la unificación de cargadores tiene un impacto significativo en la protección del medio ambiente. Aunque cada cargador individual es pequeño, las consecuencias para el medio ambiente son considerables si se tienen en cuenta los millones de cargadores que se desechan cada año.
- Mejorar la percepción de la marca: El hecho de que la empresa de diseño se mantenga al día de las tendencias siempre añade un atractivo adicional para sus clientes potenciales. Imagínese cómo se sentiría si su empresa comprara equipos de medición modernos y caros que vinieran con un CD para instalar los controladores y las herramientas de software.
- Conector USB tipo C: Además de todos los factores impulsores del USB y las ventajas mencionadas anteriormente, la característica más importante en sí fue la introducción del conector USB tipo C de 24 pines en 2014 (véase la Figura 1).
Diseño de referencia del dispositivo USB PD de 240 W de Arrow e Infineon
Siguiendo las últimas tendencias de la industria, Arrow e Infineon presentaron el nuevo diseño de referencia del dispositivo PD 3.1 de 240 W que utiliza el microcontrolador de alta tensión EZ-PD™ PMG1-S3 de Infineon pensado para soportar aplicaciones USB de alta potencia. El nuevo diseño de referencia admite hasta 48 V @ 5 A en modo Power Delivery Object (Sink), que es el nivel más alto alcanzable con los últimos estándares USB Power Delivery.
- Amplía las capacidades de disipación EZ-PD™ PMG1-S3 hasta 240 W
- Ejemplo de soporte CAPSENSE™
- Funciones de accionamiento del motor integradas
- Bajo coste de la lista de materiales
- Reducción del plazo de comercialización
- Dimensiones: 100 x 100 mm con opción de diseño de placa de circuito impreso escalable
Imagen 4. Placa de diseño de referencia de dispositivo REF_ARIF240WS3
El diseño de referencia amplía aún más las capacidades de energía existentes de la familia de microcontroladores de alta tensión EZ-PD™ PMG1 de Infineon de 140 W a 240 W, lo cual es importante para muchas aplicaciones de alta demanda de energía y carga rápida.
Esta placa de diseño de referencia REF_ARIF240WS3 de 240 W complementa la placa de evaluación de fuente USB PD 3.1 REF_XDPS2222_240W1 de Infineon, recientemente lanzada. Esto permite a los ingenieros de diseño estar entre los primeros del mercado con la solución completa (Source-Sink) USB PD 3.1 de 240 W.
Diseño de referencia de fuente USB PD de 240 W
El diseño complementario para la fuente de alimentación de 240 W, REF_XDPS2222_240W1 de Infineon, basado en la tecnología CoolGaN™, es un diseño de referencia USB PD 3.1 de factor de forma de alta eficiencia, con una densidad de potencia de 25 W/pulg³, que utiliza el CI combinado XDP™ digital power XDPS2222 de PFC + hybrid flyback (HFB).
- Controlador digital COMBO (PFC + AHB)
- Tensión de salida extra ancha y USB-PD EPR de hasta 48 V
- Controlador EZ-PD™ CCG3PA con flexibilidad de programación
- Alta densidad de potencia: 25 W/pulg³
- Eficiencia máxima: 95,92%
Imagen 5. Placa de diseño de referencia de fuente REF_XDPS2222_240W1
El handshaking interno entre los controladores PFC y HFB y el ajuste adaptativo de la tensión del bus hacen que el controlador XDP™ XDPS2222 sea perfecto para aplicaciones con una amplia entrada de CA y un rango de tensión de salida muy amplio, como adaptadores USB PD de rango de potencia extendido (EPR) y cargadores de baterías. Las características principales, incluyen:
- Funcionamiento HFB ZVS en high- y low-side.
- Control de corriente de pico HFB de respuesta rápida
- Operaciones armonizadas de PFC y HFB
- Omisión de impulsos con carga ligera
- Control automático de activación/desactivación del PFC
- Nivel de tensión de bus PFC autoajustable
Principales aplicaciones
Estos diseños de referencia están pensados para una amplia gama de aplicaciones, como vehículos eléctricos ligeros (bicicletas eléctricas, scooters eléctricas y dispositivos de movilidad personal), drones, robots móviles, impresoras 3D, equipos audiovisuales profesionales, herramientas eléctricas, equipos médicos, electrodomésticos, dispositivos de entretenimiento doméstico, etc.
Pero, en general, cualquier aplicación que requiera de 0 a 240 W podría beneficiarse de la adopción de USB-C para su alimentación, y de las extraordinarias características de USB PD que ofrecen estos diseños avanzados.
Servicios de asistencia
Ambos diseños de referencia están disponibles bajo pedido. Además del soporte técnico, Arrow ofrece una serie de servicios de asistencia técnica, como la personalización de esquemas y las modificaciones de placas de circuito impreso, que ayudan a maximizar el potencial de los diseños de los clientes y a reducir el tiempo de comercialización.
