Gebruik evaluatiekits om producten voor USB Type-C™ en USB PD in een gecontroleerde omgeving te ontwikkelen en te testen

De meest recente specificaties ten aanzien van USB connectors/kabels, stroomtoevoer (PD) en protocollen (respectievelijk USB type-C, USB PD 3.0 en USB 3.2) maken de connectors gebruikersvriendelijker en verhogen de gegevensdoorvoer- en stroomtoevoercapaciteit van de USB. Ontwerpers die staan te popelen om de nieuwe specificaties te gaan benutten, zullen echter merken dat de implementatie veel uitdagingen met zich meebrengt. Met name de hogere spannings- en stroomwaarden die worden ondersteund, kunnen tot schade aan niet-compatibele randapparatuur en oververhitting van kabels, connectors en poorten leiden.

Wat ontwikkelaars, die niet vertrouwd zijn met USB type-C en USB PD nodig hebben, is een manier om in een gecontroleerde omgeving met een geschikte software-interface met de nieuwe technologie te experimenteren. USB silicium-leveranciers komen aan deze behoefte tegemoet met de introductie van evaluatiekits (EK's) met software en printplaten die voedingen, USB-aansluitingen naar een pc en de nieuwste generatie USB-chips bevatten. Deze EK's bieden ontwikkelaars de mogelijkheid om ervaring op te doen met het configureren van USB type-C en USB PD aan de hand van een beproefd ontwerp en via een gebruikersvriendelijke interface. De EK's kunnen ook worden gebruikt als referentie-ontwerp voor de prototypes van ontwikkelaars.

Dit artikel geeft een overzicht van de belangrijkste kenmerken van de nieuwste USB type-C specificaties en beschrijft enkele van de problemen waar men bij de implementatie mee te maken krijgt. Tot slot worden in dit artikel kits van ON Semiconductor, STMicroelectronics en Texas Instruments gepresenteerd en wordt getoond hoe deze kits kunnen worden gebruikt om de mogelijkheden van de nieuwe USB-technologie in alle veiligheid te ontdekken. De geïntegreerde componenten waarop de evaluatiekit en printplaten zijn gebaseerd kunnen vervolgens worden opgenomen in het ontwerp van nieuwe producten; de nieuwe technologieën bieden hogere prestaties, besparen ruimte en hebben minder onderdelen nodig.

Waarom upgraden naar de nieuwste USB-specificaties?

De voornaamste redenen om een product te updaten naar de nieuwste USB-specificaties:

• Meer gebruiksgemak: USB type-C is gebaseerd op een compacte, omkeerbare connector die consumenten meer gebruiksgemak biedt en beter bij de vormfactor van moderne consumentenelektronica past.
• Hogere doorvoer: USB 3.2 (werd geïntroduceerd in 2017 en heeft nu alle voorgaande USB 3.x specificaties opgenomen) biedt datasnelheden van maximaal 20 gigabit per seconde (Gbit/s).
• Hoger vermogen: USB PD 3.0 biedt maximaal 100 watt (5 ampère (A) x 20 volt) voor snel opladen van tablets en laptops.

De USB type-C connector is verplicht voor USB 3.2 Gen 2x2 en toekomstige versies van de standaard zullen uitsluitend compatibel met type C zijn (en niet met type-A en type-B connectors). De specificatie omvat een 24-pins connector die beschikt over vier +5 volt massaparen, twee differentiële paren voor de USB 2.0 databus, vier paren voor de SuperSpeed-databus, twee pinnen voor “zijbandgebruik”, V_CONN +5 volt voeding voor actieve kabels en pinnen voor kanaalconfiguratie (CC) voor detectie van de kabelrichting en aansluitingenbeheer. De binnen een specifieke toepassing gebruikte pinnen variëren op grond van het gebruikte communicatieprotocol en de voedingsvereisten (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: de 24-pins connector van USB type-C is omkeerbaar en de CC-pinnen worden gebruikt voor detectie van de kabelrichting en aansluitingenbeheer. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Een “volledig uitgeruste” USB type-C connector en kabels kunnen de hoogste USB datasnelheden ondersteunen. Met USB type-C kan een ontwerper bijvoorbeeld kiezen voor de volgende protocollen: USB 3.2 Gen 1 (SuperSpeed 5 Gbit/s), USB 3.2 Gen 2 (SuperSpeed 10 Gbit/s) of USB 3.2 Gen 2x2 (SuperSpeed 20 Gbit/s). Merk op dat er “niet volledig uitgeruste” combinaties van USB type-C connectors en kabels bestaan die niet in staat zijn om de eigenschappen van de nieuwste specificatie te ondersteunen. De rest van dit artikel heeft betrekking op ontwerpen die uitsluitend volledig functionele USB type-C hardware gebruiken.

USB type-C biedt ontwerpers ook de mogelijkheid om de hoogste USB PD-spannings en -stroomwaarden te gebruiken die onder de USB PD 2.0/3.0-voedingsprotocollen beschikbaar zijn. Vanaf USB PD 2.0 definieert de specificatie vier spanningsniveaus, 5, 9, 15 en 20 volt. Bovendien kunnen de voedingen in plaats van de zes vaste niveaus van de originele USB PD-standaard elk willekeurig maximaal bronuitgangsvermogen tussen 0,5 en 100 watt ondersteunen. Bronnen die meer dan 15 watt leveren, bieden spanningswaarden van 5 en 9 volt, voor voedingen die meer dan 27 watt leveren wordt dit 5, 9 en 15 volt, en voor voedingen die meer dan 45 watt leveren 5, 9, 15 en 20 volt. Deze verschillende combinaties van spanning en stroom worden “Vermogensprofielen” genoemd.

Deze flexibele vermogensniveaus bieden weliswaar vele voordelen, maar zorgen ook voor meer complexiteit en leveren interessante ontwerpuitdagingen op vanwege de hogere spanningen en stromen die door de technologie worden ondersteund. USB PD vereist bijvoorbeeld een extra component — een poortcontroller — om over USB PD-vermogensprofielen te onderhandelen en deze te implementeren. Ontwerpers die aan USB type-A gewend zijn, zullen niet onmiddellijk vertrouwd zijn met deze verschillen, waardoor de kans op niet-optimale of mogelijk schadelijke ontwerpbeslissingen toeneemt.

Een USB type-C systeem met USB PD kan bijvoorbeeld worden aangesloten op een USB type-A poort via een A-naar-C kabel; de USB type-A poort V_BUS wordt op ongeveer 5 volt gehouden, maar de USB type-C poort met USB PD kan maximaal 20 volt leveren bij 5 A. De poort met de hogere V_BUS-spanning stuurt stroom naar de andere poort en veel stroomschakelaars van USB type-A poorten hebben geen sperstroombeveiliging, waardoor ze door de hogere spanning kunnen worden beschadigd. (Zie voor meer informatie over ontwerpen met USB type-C en USB PD, het DigiKey artikel, “Ontwerpen maken met USB type-C en stroomtoevoer (PD) gebruiken voor snel opladen”.)

De complexe aspecten van USB type-C onder controle krijgen

De door USB type-C en USB PD geboden veelzijdigheid wordt gerealiseerd door middel van configureerbare kabels, poorten en vermogensinstellingen. USB type-C connectors gebruiken de CC om aansluitingen elektronisch te detecteren en te configureren. USB type-C poorten kunnen van het type 'alleen host' of 'alleen apparaat' zijn (waarbij ze in traditionele rollen als USB host en apparaat functioneren), of twee rollen vervullen (dual-role ports - DRP); hierbij is de host de neerwaarts gerichte poort (downward facing port - DFP) en het apparaat de opwaarts gerichte poort (upward facing port - UFP).

Andere voordelen van USB type-C zijn:

• Herconfigureerbaarheid van dual-role poorten. Een laptopcomputer kan bijvoorbeeld als UFP functioneren wanneer hij wordt opgeladen door een monitor of als een DFP wanneer hij stroom levert aan een miniventilator.
• Het vermogen om elektronisch te bepalen of een V_BUS USB type-C standaardvoeding of USB PD gebruikt, en V_CONN te configureren zoals vereist.
• Ondersteuning van optionele alternatieve en aanvullende modi.

Poortcontrollers werken met PD-controllers om over stroomtoevoervereisten en richting te onderhandelen, bijvoorbeeld om te voorkomen dat een apparaat met een batterij van bescheiden omvang, zoals een smartphone, probeert om een apparaat met hoge stroomtoevoervereisten, zoals een laptop, te voeden. Poortcontrollers bevatten vaak een ingebedde microcontroller die een extern apparaat voor de supervisie van voedingstransacties overbodig maakt.

Om te helpen de complexe aspecten van deze nieuwe technologie onder controle te krijgen en een succesvol ontwerp te verzekeren, hebben leveranciers van USB-chips evaluatiekits op de markt gebracht die ontwerpers de mogelijkheid geven om met geoptimaliseerde en beveiligde circuits te experimenteren om te zien welke configuraties van USB type-C en USB PD het best geschikt zijn voor een bepaalde toepassing. Een voorbeeld hiervan is STR-USBC-4PORT-200W-EVK van ON Semiconductor, een EK met vier USB type-C poorten, 200 watt. Deze kit stelt ontwikkelaars in staat om de mogelijkheden van USB PD 3.0 te onderzoeken bij spanningsuitvoeren van 5, 9, 15 en 20 volt en stroomwaarden tot 5 ampère, voor een maximaal uitgangsvermogen van 100 watt per poort. In verband met de beperkingen van de stroomtoevoer is de EK beperkt tot een totaal maximumuitgangsvermogen van 200 watt verdeeld over de vier poorten.

De STR-USBC-4PORT-200w-EVK bevat een USB PD poortcontroller, een hoogspanningsbeveiligingsschakelaar en een step-down (buck) voedingscontroller. Deze kit is voorzien van een AC/DC-voeding die werkt op een ingangsspanning tussen de 90 en 265 volt. De kit beschikt over ingebouwde overstroombeveiliging en thermische beveiliging. De EK wordt geleverd met de Strata-software van ON Semiconductor, met configuratietools om vermogensprofielen te testen, te experimenteren met verschillende fout- en foldback-eigenschappen en systeemtelemetrie te bewaken terwijl aangesloten apparaten met wisselende oplaadstromen worden gevoed (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: USB type-C EK van ON Semiconductor beschikt over een 200 watt AC/DC front-end en een USB PD uitvoer met vier poorten. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

De poortcontroller op de EK is de FUSB307B van ON Semiconductor, die is ontworpen om een USB type−C poortcontroller (TCPC) met USB PD-capaciteiten te implementeren. De chip voldoet aan de specificatie voor USB PD-interfaces als een TCPC met een gestandaardiseerde interface voor een USB type-C poortmanager (TCPM) en heeft een ingebouwd USB type-C detectiecircuit voor handmatige detectie van aan-/afkoppeling. De tijdkritische PD-functionaliteit van de chip wordt autonoom afgehandeld, waardoor het niet nodig is om een systeemmicrocontroller of TCPM te gebruiken.

STMicroelectronics biedt op zijn beurt de STEVAL-ISC004V1 USB PD EK. De EK is een gebruiksklare USB PD-bron, gebaseerd op de STUSB4710A USB PD-controller van het bedrijf, die laat zien hoe een DC-ingang met vaste spanning kan worden omgezet in een USB PD-uitgang met variabele spanning. De USB PD-controller communiceert via USB type-C CC om te onderhandelen over een bepaalde hoeveelheid stroom naar een aangesloten apparaat en kan alle verbindingen met een DFP of UFP beheren zonder ondersteuning van een microcontroller.

Texas Instruments (TI) biedt ook een USB type-C EK met dockingstation-interface, de USB-CTM-MINIDK-EVM (Afbeelding 3). De EK is een referentie-oplossing voor een USB type-C dock, met USB PD, audio, USB-data, voeding en video. De EK kan via de primaire USB type-C PD poort zowel stroom afnemen als leveren. Wanneer hij wordt gevoed door een externe USB type-C oplader, kan het dock 5 volt leveren op 3 A of 12 tot 20 volt op 5 A.

De EK bevat:

• TUSB8041: een USB 3.0 hub-controller met vier poorten die tot aan SuperSpeed USB kan leveren via zowel DFP's als UFP's.
• TUSB321: een TCPC voor het bepalen van aansluiting op en afkoppeling van de poort, detectie van kabelrichting en rol. De chip kan worden geconfigureerd als een DFP, UFP of DRP.
• TPS65982: een USB type-C controller voor USB PD onderhandeling en vrijgave van het stroompad.

Afbeelding 3: de USB-CTM-MINIDK-EVM USB type-C interface EK van TI is een referentie-oplossing voor een USB type-C dock met USB-data, USB PD, audio en video. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De evaluatiekits van ON Semiconductor, TI en STMicroelectronics leiden technici door het proces voor instelling en configuratie van een USB type-C ontwerp met USB PD.

De ontwikkeling op de EK van ON Semiconductor wordt geleid via de Strata Developer Studio-software van het bedrijf. Om te beginnen, moet men een AC-spanning op de EK zetten, deze via de USB Mini-B-kabel met de pc verbinden, inloggen en wachten tot de pc de EK heeft gedetecteerd en de betreffende content heeft gedownload.

Er kan een aantal basisinstellingen voor het systeem worden gemaakt, zoals het maximale systeemvermogen (tussen 30 en 200 watt), een instelling die ervoor zorgt dat de som van de PD “contracten” van de vier poorten het totale vermogen van de AC-voeding niet overschrijdt en een zogeheten “verzekerde voeding”-instelling waarbij er altijd een bepaalde hoeveelheid stroom aan poort 1 is toegewezen en de andere poorten de overige stroom onderling verdelen. Er is ook een instelling voor bescherming tegen fouten, die de temperatuurdrempel bepaalt waarbij een foutconditie moet worden aangegeven.

De ontwikkelaar kan vervolgens experimenteren met instellingen voor de afzonderlijke poorten, zoals:

• Max. vermogen poort: nadat dit is ingesteld, zal geen contract worden aangeboden dat deze grens overschrijdt
• Stroombegrenzing: van 0 tot 6 A
• Kabelcompensatie: om spanningsval op het stroomafnemende apparaat te beperken bij het leveren van hogere stroomwaarden
• Aangeboden profielen: nadat een apparaat is aangesloten, wordt een lijst weergegeven met profielen die aan het stroomafnemende apparaat werden aangeboden

De ontwikkelaar kan vervolgens een browser openen met gegevens over de totale ingangsspanning en -vermogen naar de USB-poorten en informatie over de prestaties van elk van de poorten met inbegrip van profiel (volt), PD-contract (watt), uitgangsspanning en -vermogen, temperatuur en efficiëntie. De EK kan worden aangesloten op een oscilloscoop om meer gedetailleerde prestatiegegevens te tonen, zoals V_BUS-overgangen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: de USB type-C EK van ON Semiconductor kan worden aangesloten op een oscilloscoop voor een gedetailleerde analyse van de werkingskarakteristieken van de chip. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

De EK van STMicroelectronics werkt vrijwel op dezelfde manier als de EK van ON Semiconductor. Na aansluiting op een DC-bron van 22 volt (min.) en een randapparaat met een USB type-C connector, kunnen de instellingen van de geïntegreerde USB PD-controller van de EK uit het niet-vluchtige geheugen worden afgelezen via een I²C interface met een pc. De pc-interface biedt de ontwikkelaar vervolgens de mogelijkheid om maximaal vijf PD-spannings- en stroomuitgangen, piekstromen en limieten voor onder- en overspanning te configureren. Nadat deze profielen op de pc zijn ingesteld, kunnen ze in het geheugen van de USB PD-controller worden geprogrammeerd en worden gebruikt om het aangesloten randapparaat van stroom te voorzien.

De EK van TI moet in combinatie met het USB type-C enabler-board van het bedrijf werken. Dit enabler-board wordt op een pc aangesloten via een USB type-A naar USB type-B kabel en een DisplayPort-kabel; de EK wordt vervolgens met het USB type-C enabler-board verbonden via een USB type-C kabel. Vervolgens kan de ontwikkelaar rechtstreeks vanaf de pc experimenteren met de configuratie van de USB 3.0 hub, TCPC en USB type-C controller.

Conclusie

USB type-C en USB PD bieden consumenten gemak, hogere gegevensdoorvoer en een betere stroomtoevoer voor het voeden —of opladen van de batterijen van —aangesloten randapparatuur. Maar deze nieuwe technologieën brengen ook complexe aspecten met zich mee, waardoor de implementatie ontwikkelaars, die alleen bekend zijn met USB Type-A-systemen, voor uitdagingen stelt.

We hebben laten zien dat ontwikkelaars die nog niet bekend zijn met USB type-C en USB PD evaluatiekits van belangrijke USB silicium-leveranciers kunnen gebruiken om op gecontroleerde wijze en via gebruikersvriendelijke interfaces met de nieuwe technologieën te experimenteren. Deze EK's kunnen ook worden gebruikt als referentie-ontwerp voor de prototypes van ontwikkelaars.