Por Fernando González, ingeniero principal de aplicaciones, División de Potencia Analógica e Interfaz (APID), en Microchip Technology, nos comenta, en este artículo de fondo, cómo se puede lograr la ampliación de la entrega de energía en sistemas gracias a la especificación USB PD 3.1.
El Universal Serial Bus (USB) comenzó como una interfaz de datos, pero no tardó en avanzar hacia la alimentación de dispositivos.
Inicialmente su salida máxima era solo de 2,5 W, ahora puede suministrar hasta 240 W a través de cables y conectores USB Tipo-C, incorporando potencia de procesamiento, datos y vídeo.
Esta revisión es conocida como Extended Power Range (EPR) o USB Power Delivery Specification 3.1 (USB PD 3.1), introducida por el USB Implementers Forum (USB-IF).
El EPR utiliza niveles de voltaje más altos, 28 V, 36 V y 48 V, que a 5 A entregan potencias de 140 W, 180 W y 240 W, respectivamente.
USB PD 3.1 tiene un modo de alimentación de voltaje ajustable, que permite tensiones intermedias entre 9 V y el voltaje fijo más alto del cargador.
Por lo dicho, permite una mayor flexibilidad, al satisfacer las necesidades energéticas de cada dispositivo. USB PD 3.1 es compatible hacia atrás con versiones USB anteriores, incluyendo Legacy, hasta 15 W (5 V / 3 A) y el modo Standard Power Range (SPR) por debajo de 100 W (20 V / 5 A).
La capacidad de negociar la energía para cada dispositivo es una fortaleza importante de esta especificación; por ejemplo, un dispositivo consume solo la energía que necesita, que varía según la aplicación.
Así, se aplica a los periféricos, donde un proceso de gestión de energía permite que cada dispositivo tome solo la energía que necesita.
La especificación USB PD 3.1 encontró lugar en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo portátiles, estaciones de juegos, monitores, maquinaria y herramientas industriales, pequeños robots y drones, bicicletas eléctricas y mucho más.
Placa de demostración Microchip USB-PD
Microchip ofrece una aplicación de demostración de puerto de doble carga USB Power Delivery (PD), que soporta la especificación USB PD 3.1. La placa de referencia USB PD Dual Charging Port (DCP) denominada MCP19061 (Figura 1) está preconstruida para mostrar el uso de esta tecnología en aplicaciones reales.
La placa está completamente ensamblada, programada y probada para evaluar y demostrar aplicaciones de carga inteligente controladas digitalmente para diferentes cargas USB-PD, permitiendo que cada dispositivo conectado solicite el mejor nivel de potencia para su propio funcionamiento.
La placa muestra un circuito de carga de ejemplo con protecciones robustas, asignación de carga entre los dos puertos y disponibilidad de perfil de carga reconfigurable dinámicamente (voltaje y corriente) para una carga dada.
Esta función de equilibrio de potencia entre puertos proporciona un mejor control sobre el proceso de carga, además de entregar la cantidad adecuada de energía a cada dispositivo.
Así, la placa proporciona voltajes de salida de 3 V a 21 V y corrientes de salida de 0,5 A a 3 A. Mientras, su rango máximo de voltaje de entrada es de 6 a 18 V, siendo 12 V el valor recomendado.
La placa cuenta con firmware diseñado para funcionar con una interfaz gráfica y contiene encabezados para Programación Serial en Circuito (ICSP) y comunicación I2C.
Una placa de puente USB a serie incluida (como la placa USB denominada BB62Z76A MCP2221A breakout board) con la interfaz gráfica, permite probar rápidamente diferentes configuraciones con dispositivos de carga real cargando en ambos puertos.
La interfaz gráfica de la placa DCP requiere un PC con sistema operativo Microsoft Windows 7-11 y un puerto USB 2.0. La interfaz gráfica muestra entonces el estado y fallos de parámetros y placas y permite la configuración del usuario.
