Considerazioni nella progettazione di dispositivi compatibili con USB PD

USB Power Delivery (USB PD) è uno standard che consente l'alimentazione ad alta potenza, ampiamente adottato per dispositivi che richiedono la ricarica rapida o un'elevata fornitura di energia. A partire dal 2024, con l'obbligo dell'uso del connettore USB-C in Europa e il progresso del supporto a USB PD 3.1 (EPR), i requisiti di progettazione stanno diventando ancora più rigorosi. In questo articolo vengono spiegati i punti più recenti da considerare nella progettazione dei dispositivi USB PD.

[1.Comprensione delle specifiche e dei protocolli USB PD]

USB PD è definito dall’USB-IF e le sue funzionalità vengono ampliate ad ogni versione. In particolare, è importante tenere presenti i seguenti punti.

Tensione e corrente massime

USB PD 3.1 (EPR) supporta fino a 240W (48V, 5A).

AVS (Alimentazione a Tensione Regolabile) / PPS

La fornitura continua a tensione variabile permette una ricarica più efficiente e la riduzione del calore generato. È particolarmente essenziale per dispositivi con batteria integrata.

Protocollo Handshake

È richiesta una corretta implementazione delle comunicazioni PD, inclusa la negoziazione EPR (EPR_Mode, KeepAlive, Exit, ecc.).

[2.Gestione della potenza e progettazione termica]

Per ridurre il calore generato e il calo di efficienza associati all’alta potenza, è fondamentale ottimizzare il design dell’alimentazione elettrica.

• Selezione dell'IC di alimentazione: adozione di convertitori DC-DC ad alta efficienza e controller PD. Di recente, i componenti GaN (nitruro di gallio) sono diventati la norma.
• Ottimizzazione dei condensatori: per contrastare il ripple ad alta frequenza si usano MLCC, per le variazioni a bassa frequenza e rumori acustici si adottano condensatori polimerici conduttivi.
• Circuti di limitazione della corrente: integrati per protezione da sovracorrente e sicurezza in caso di guasto.

[3. Implementazione delle comunicazioni PD]

USB PD utilizza la linea CC (Configuration Channel) per la comunicazione. Per garantire l’affidabilità è necessario considerare quanto segue.

• Selezione del controller PD: scegliere modelli stand-alone o integrati in MCU secondo l'uso.
• Sviluppo firmware adeguato: implementazione software basata sulle ultime specifiche (PD 3.1/EPR).
• Assicurare la qualità del segnale: ottimizzazione delle linee CC e contromisure contro il rumore, oltre alla compatibilità con i requisiti dei segnali EPR.

[4. Selezione del connettore]

Selezione del connettoreCon l’aumento della potenza in uscita, anche i requisiti per connettori e cavi USB Type-C sono diventati più severi.

• Connettori ad alta corrente: selezione di connettori Type-C di alta qualità compatibili con 48V / 5A.
• Verifica della durabilità: valutazione dell’affidabilità meccanica per uso frequente.
• Compatibilità con cavi E-Marker: è necessario un design in grado di identificare correttamente i cavi con E-Marker, obbligatori per l’erogazione fino a 240W (5A).

[5. Sicurezza e conformità agli standard di sicurezza]

Per garantire l’affidabilità dei dispositivi USB PD, sono essenziali circuiti protettivi robusti e progettazione conforme agli standard di certificazione.

• Protezione da sovracorrente e sovratensione: meccanismi di interruzione tramite FET o fusibili.
• Monitoraggio della temperatura: controllo del riscaldamento con termistori o sensori di temperatura.
• Funzione soft start / protezione da sovratensione: per evitare danni ai terminali e onde di tensione dovute all’alta tensione dell’EPR.
• Protocollo di comunicazione: dopo la comunicazione tra caricatore e dispositivo tramite protocollo integrato, viene attivata l’erogazione controllata di potenza.
• Standard energetici: progettati sulla base di specifiche rigorose come requisiti di prodotto, temperatura ambientale e potenza massima durante uso prolungato.

[6. Compatibilità con gli alimentatori e contromisure per i progettisti]

La compatibilità con gli alimentatori influisce sulla stabilità e affidabilità del dispositivo.

• Supporto multi-profilo: oltre a 5V/9V/15V/20V, considerare 28V/36V/48V per l’EPR.
• Compatibilità con PPS/AVS: controllo di tensione preciso per ridurre il calore e migliorare l'efficienza della ricarica.
• Funzione fallback: passaggio a USB 2.0/BC mode o PD 3.0, 2.0 in caso di fallimento nella comunicazione PD.
• Test con dispositivi reali: verifica della compatibilità con vari adattatori PD in commercio.
• Gestione del rilevamento E-Marker: progettazione per riconoscere correttamente i cavi richiesti e prevenire richieste eccessive di potenza.

[7. Punti da considerare nella selezione degli adattatori di alimentazione consigliati]

Quando si specifica un adattatore di alimentazione consigliato per un prodotto, verificare i seguenti punti.

• Corrispondenza del profilo di uscita: verifica se la tensione e la corrente richieste dal dispositivo sono supportate.
• Supporto PPS/AVS: necessario se il dispositivo è progettato per sfruttarlo.
• Affidabilità sul mercato: scegliere adattatori con compatibilità già verificata.
• Funzioni di protezione: selezionare prodotti di alta qualità dotati di protezione da sovratensione, sovracorrente e cortocircuito.

[8. Riassunto]

Nel progettare dispositivi compatibili con USB PD, è necessario aderire agli standard più recenti (PD 3.1/EPR e AVS), adottare componenti come GaN e condensatori adeguati, garantire la compatibilità con i cavi E-Marker e rispettare le normative europee. Un design basato su questi elementi può garantire funzionamento stabile, elevate capacità di compatibilità, maggiore soddisfazione degli utenti e competitività sul mercato.

Per fornire prodotti USB PD di alta qualità, è importante creare un design che enfatizzi la conformità agli standard più recenti e le verifiche in ambienti reali. Per realizzare prodotti USB PD di qualità, sono indispensabili sia il rispetto degli standard e della tecnica progettuale, sia rigidi test basati su condizioni reali di utilizzo.