Använd utvärderingssatser för att utveckla och testa USB Type-C™ och USB PD-produkter i en kontrollerad miljö

Den senaste USB-kontakten/kabeln, strömleverans (PD) och protokollspecifikationer (USB Type-C, USB PD 3.0 respektive USB 3.2) gör kontakterna enklare att använda och ökar USB-kapaciteten för dataöverföring och strömleverans. Konstruktörer som vill utnyttja de nya specifikationerna finner dock att implementeringen har många utmaningar. I synnerhet kan stödet för högre spänning och ström leda till skador på inkompatibel kringutrustning och överhettning av kablar, kontakter och portar.

Vad utvecklare som inte känner till USB Type-C och USB PD behöver är ett sätt att experimentera med den nya tekniken i en kontrollerad miljö med ett lämpligt programvarugränssnitt. USB-kiselleverantörer har reagerat med att introducera utvärderingssatser med programvara och kort som inkluderar strömkällor, USB-anslutningar till en dator och den senaste generationen USB-chip. Dessa utvärderingssatser gör det möjligt för utvecklare att få erfarenhet av att konfigurera USB Type-C och USB PD med hjälp av en beprövad design med ett användarvänligt gränssnitt. Utvärderingssatserna kan också användas som referensdesign för utvecklarens prototyper.

Den här artikeln beskriver nyckelattributen i de senaste USB Type-C-specifikationerna och beskriver något av komplexiteten i implementeringen. Sedan presenteras satser från ON Semiconductor, STMicroelectronics, och Texas Instruments och det visas hur dessa kan användas för att säkert utforska kapaciteten i den nya USB-tekniken. De integrerade komponenterna som utvärderingssaten och korten bygger på kan sedan konstrueras till nya produkter för att dra nytta av större prestanda samtidigt som man sparar utrymme och minskar komponentantalet.

Varför uppgradera till de senaste USB-specifikationerna?

Det viktigaste skälet till att uppdatera en produkt till de senaste USB-specifikationerna är:

• Större bekvämlighet: USB Type-C är baserat på en kompakt, reversibel pluggkontakt som är lättare för konsumenterna och bättre passar det kompakta formatet för modern konsumentelektronik.
• Högre genomflöde: USB 3.2 (introducerades 2017 och upptar nu alla tidigare USB 3.x-specifikationer) erbjuder datahastigheter på upp till 20 gigabit per sekund (Gbits/s).
• Högre effekt: USB PD 3.0 erbjuder upp till 100 watt (5 ampere (A) x 20 volt) för snabb laddning av surfplattor och bärbara datorer.

USB Type-C-kontakten är obligatorisk för USB 3.2 Gen 2x2, och framtida versioner av standarden kommer endast att vara kompatibel med den (och inte Type-A- och Type-B-kontakter). Specifikationen innehåller en 24-polig kontakt som ger fyra +5 volt jordpar, två differentiella par för USB 2.0-databussen, fyra par för SuperSpeed-databussen, två stift med ”sidobandsanvändning”, V_CONN +5 volt strömförsörjning för aktiva kablar och kanalkonfigurationsstift (CC) för kabelriktningsdetektering och hantering av anslutningar. Observera att stiften som används i en specifik tillämpning varierar beroende på vilket kommunikationsprotokoll som används och strömleveranskraven (figur 1).

Figur 1: USB Type-C 24-stiftskontakten är reversibel med CC-stiften som används för kabelriktning och hantering av anslutningar. (Bildkälla: Texas Instruments)

En ”fullvärdig” USB Type-C-kontakt och kabel kan stödja de snabbaste USB-datahastigheterna. Med USB Type-C kan en konstruktör till exempel välja protokoll USB 3.2 Gen 1 (SuperSpeed 5 Gbit/s), USB 3.2 Gen 2 (SuperSpeed 10 Gbit/s) eller USB 3.2 Gen 2x2 (SuperSpeed 20 Gbit/s). Observera att ”ej fullvärdiga” USB-Type-C-kontakter och kabelkombinationer finns, vilka inte stödjer funktioner i den senaste specifikationen. Resten av den här artikeln tar hänsyn till konstruktioner som endast använder fullvärdig USB Type-C-maskinvara.

Med USB Type-C kan konstruktören dra nytta av de högsta USB PD-spänningarna och -strömmarna som förekommer enligt USB-protokollen USB 2.0/3.0. Från USB PD 2.0 definierar specifikationen fyra spänningsnivåer vid 5, 9, 15 och 20 volt. I stället för sex fasta nivåer av den ursprungliga USB PD-standarden, kan strömförsörjningen stödja all maximal utgångseffekt från 0,5 till 100 watt. Källor som levererar mer än 15 watt ger spänningar på 5 och 9 volt, de som levererar mer än 27 watt ger 5, 9 och 15 volt, och de som levererar mer än 45 watt ger 5, 9, 15 och 20 volt. Dessa olika kombinationer av spänning och ström kallas ”Effektprofiler”.

Även om de flexibla effektnivåerna har flera fördelar, innebär de även både komplexitet och intressanta designutmaningar på grund av de högre spänningar och strömmar som stöds av tekniken. Till exempel kräver USB PD en extra komponent – en portstyrenhet – för att klara av och implementera USB PD-effektprofiler. Konstruktörer som är vana vid en USB-Type A-design känner inte omedelbart igen dessa skillnader, vilket ökar risken för icke-optimala eller eventuellt skadliga designbeslut.

Ett USB Type-C-system med USB PD kan till exempel ansluta till en USB Type-A-port via en A-till-C-kabel; USB Type-A-porten V_BUSS hålls på cirka 5 volt, men USB Type-C-porten med USB PD kan leverera upp till 20 volt vid 5 A. Porten med den högre V_BUSS-spänningen driver ström till den andra porten, och flera USB-Type-A-portströmbrytare har inte läckströmsskydd så de kan skadas av högre spänning. (Mer information om USB Type-C och USB PD-design finns i DigiKey-artikeln, ”Designa i USB Type-C och använda strömleverans för snabb laddning”.)

Hantera komplexiteten i USB Type-C

Mångsidigheten som erbjuds av USB Type-C och USB PD uppnås genom konfigurerbara kablar, portar och effektinställningar. USB Type-C-kontakter detekterar och konfigurerar anslutningar elektroniskt med hjälp av CC. USB Type-C-portar kan vara endast-värd, endast-enhet (fungerar i traditionella USB-värd- och enhetsroller) eller portar med dubbla roller (dual-role-ports, DRP); där värden är den nedåtvända porten (DFP) och enheten den uppåtvända porten (UFP).

Andra fördelar med USB Type-C inkluderar:

• Rekonfigurerbarhet hos portar med dubbla roller. En bärbar dator kan till exempel fungera som en UFP när den laddas med en skärm eller en DFP när en minifläkt drivs.
• Förmågan att bestämma elektroniskt om V_BUSSanvänder USB Type-C standardeffekt eller USB PD, konfigurering av V_CONN vid behov.
• Stöd för valfria alternativ och tillbehörslägen.

Portstyrenheter arbetar med PD-styrenheter för att hantera effektkrav och riktning så att exempelvis en enhet med ett mindre batteri, som en smartphone, inte försöker driva en enhet med höga effektkrav som en bärbar dator. Portstyrenheter har ofta en inbäddad microcontroller som eliminerar behovet av en extern enhet för att övervaka effektöverföringar.

För att hjälpa till att hantera komplexiteten och säkerställa en framgångsrik design har USB-chipleverantörer infört utvärderingssatser som gör det möjligt för konstruktören att experimentera med optimerade och skyddade kretsar för att utvärdera konfigurationer av USB Type-C och USB PD som bäst passar tillämpningen. Ett exempel är ON Semiconductors STR-USBC-4PORT-200W-EVK, en USB Type-C, 200 watt utvärderingssats med fyra portar. Denna sats gör det möjligt för en utvecklare att utforska kapaciteten hos USB PD 3.0 vid utgående spänningar på 5, 9, 15 och 20 volt och strömmar på upp till 5 ampere, för en maximal effekt per port på 100 watt. På grund av strömförsörjningens begränsningar begränsas utvärderingssatsen till en total maximal effekt på 200 watt över sina fyra portar.

STR-USBC-4PORT-200w-EVK består av en USB PD-portstyrenhet, en högspänningsskyddsomkopplare och en styrenhet för nätaggregat med en buckomvandlare (step-down). Den är utrustad med en AC/DC-strömförsörjning som går från 90 volt till 265 volt ingång. Skydd mot överström och överhettning är inbyggt. I utvärderingssatsen ingår ON Semiconductors Strata-programvara som innehåller konfigurationsverktyg för att testa effektprofiler, experimentera med olika fel- och återkopplingsfunktioner och övervaka systemtelemetri, samtidigt som den förser anslutna enheter med variabel laddningsbelastning (figur 2).

Figur 2: ON Semiconductors USB Type-C utvärderingssats har en 200 watt AC/DC front-end och en USB PD-utgång med fyra portar. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Portstyrenheten på utvärderingssatsen är ON Semiconductors FUSB307B, som är utformad för att implementera en USB Type-C-portstyrenhet (TCPC) med USB PD-funktioner. Kretsen uppfyller USB PD-gränssnittets specifikation som en TCPC med ett standardiserat gränssnitt för en USB Type-C Port Manager (TCPM) och innehåller USB Type-C-detekteringskretsar som möjliggör manuell detektering av anslutning/frånkoppling. Kretsens tidskritiska PD-funktion hanteras autonomt och undviker behovet av att använda en systemmicrocontroller eller TCPM.

STMicroelectronics erbjuder för sin del utvärderingssatsen STEVAL-ISC004V1 USB PD. Utvärderingssatsen är en färdig USB-PD-källa, baserad på företagets STUSB4710A USB PD-styrenhet, som visar hur man omvandlar en DC-ingång med fast spänning till en USB PD-utgång med variabel spänning. USB PD-styrenheten kommunicerar via USB Type-C CC för att förmedla en viss mängd ström till en ansluten enhet och kan hantera alla anslutningar till en DFP eller UFP utan microcontrollerstöd.

Texas Instruments (TI) erbjuder också en utvärderingssats med USB-Type-C-dockningsstationsgränssnitt, USB-CTM-MINIDK-EVM (figur 3). Utvärderingssatsen är en referenslösning för en USB Type-C-dockning, inklusive USB PD, ljud, USB-data, ström och video. Utvärderingssatsen stöder kapacitet för både käll- och sänkström via den primära USB Type-C PD-porten. När den drivs av en extern USB Type-C-laddare, kan dockan leverera 5 volt vid 3 A eller 12 till 20 volt vid 5 A.

Utvärderingssatsen innehåller:

• TUSB8041: En USB 3.0 styrenhet för hubbar med fyra portar som kan ge upp till SuperSpeed USB via både DFP och UFP.
• TUSB321:En TCPC för att bestämma portanslutning och -frånkoppling, kabelriktning och rolldetektering. Kretsen kan konfigureras som en DFP, UFP eller DRP.
• TPS65982: En USB-typ-C-styrenhet för att klara av USB-PD och upprätta en effektväg.

Figur 3: Texas Instruments utvärderingssats med USB-CTM-MINIDK-EVM USB Type-C-gränssnitt är en referenslösning för en USB Type-C-dockning, inklusive USB-data, USB PD, ljud och video. (Bildkälla: Texas Instruments)

ON Semiconductors, Texas Instruments och STMicroelectronics utvärderingssatser guidar en tekniker genom installations- och konfigurationsprocessen för en USB Type-C-design med USB PD.

Utvecklingen av ON Semiconductors utvärderingssats bedrivs genom företagets Strata Developer Studio. Utvecklarna behöver först använda en växelspänning på utvärderingssatsen, ansluta den till datorn via USB Mini-B-kabeln, logga in och låta datorn detektera utvärderingssatsen och ladda ner relevant innehåll.

Utvecklaren kan göra några grundinställningar i systemet inklusive den maximala systemeffekten (från 30 watt till 200 watt), en inställning som säkerställer att de totala PD-”kontrakten” från de fyra portarna inte överstiger den totala effekten från nätströmkällan, och en ”försäkrad effekt”-inställning där port 1 alltid har en tilldelad mängd effekt och de andra portarna delar den återstående effekten mellan sig. Det finns också en felskyddsinställning som bestämmer temperaturgränsen vid vilken ett feltillstånd ska anges.

Utvecklaren kan sedan experimentera med enskilda portinställningar inklusive:

• Max. portström: När detta är inställt erbjuds inget kontrakt som överskrider gränsen
• Strömgräns: Från 0 till 6 A
• Kabelkompensation: För att minska spänningsfallet vid sänkenheten vid högre strömmar
• Tillgängliga profiler: När en enhet är ansluten visas en lista över profiler som erbjöds till sinkenheten

Utvecklaren kan sedan öppna en webbläsare som beskriver total ingångsspänning och effekt till USB-portarna samt information om prestanda för varje port inklusive profil (volt), PD-kontrakt (watt), utspänning och effekt, temperatur och effektivitet. Utvärderingssatsen kan ansluta till ett oscilloskop för att visa mer detaljerad prestandainformation som till exempel V_BUSS-övergångar (figur 4).

Figur 4: ON Semiconductors USB Type-C-utvärderingssats kan anslutas till ett oscilloskop för detaljerad analys av kretsens driftsegenskaper. (Bildkälla: ON Semiconductor)

STMicroelectronics utvärderingssats fungerar på samma sätt som ON Semiconductors utvärderingssats. När den är ansluten till en DC-källa på 22 volt (min) och en kringutrustning med en USB Type-C-kontakt, kan utvärderingssatsens inbyggda USB PD-styrenhets inställningar läsas från icke-flyktigt minne via ett I²C-gränssnitt till en dator. PC-gränssnittet gör det möjligt för utvecklaren att konfigurera om upp till fem PD-spännings- och strömutgångar, toppströmmar och underspännings- och överspänningsspärrar. När dessa profiler har installerats på datorn kan de programmeras i USB PD-styrenhetens minne och användas för att driva den anslutna kringutrustningen.

Texas Instruments utvärderingssats måste fungera tillsammans med företagets USB-Type-C-kort. Kortet är anslutet till en dator med en USB Type-A till USB Type-B-kabel och en DisplayPort-kabel. Utvärderingssatsen ansluts sedan till USB Type-C-kortet med en USB Type-C-kabel. Utvecklaren kan sedan experimentera med konfigurationen för USB 3.0-hubben, TCPC och USB Type-C-styrenheten direkt från datorn.

Slutsatser

USB Type-C och USB PD ger konsumenten bekvämlighet, högre genomströmning och förbättrad strömleverans för antingen strömförsörjning eller laddning av batterierna på ansluten kringutrustning. Teknologierna innebär emellertid också ökad komplexitet, vilket gör implementeringen till en utmaning för utvecklare som bara känner till USB Type-A-system.

Som visas kan utvecklare som inte känner till USB Type-C och USB PD nu dra nytta av utvärderingssatser från viktiga USB-kiselleverantörer som möjliggör experiment med teknologierna på ett kontrollerat sätt via användarvänliga gränssnitt. Utvärderingssatserna kan också användas som referensdesign för utvecklarens prototyper.