[APPLICATION MICROCHIP] Le standard USB (Universal Serial Bus) a fait ses débuts comme interface de transfert de données, mais a ensuite évoluer pour servir d’alimentation à des appareils électroniques. À l’origine, sa puissance de sortie maximale n’était que de 2,5 W. Désormais, il peut fournir jusqu’à 240 W grâce aux câbles et connecteurs USB Type-C et permet aussi bien de réguler l’alimentation que de transférer des données ou des vidéos. Cette révision du standard, connue sous le noms USB Power Delivery 3.1, introduite par le Forum USB-IF (USB Implementers Forum), utilise des niveaux de tension plus élevés - 28 V, 36 V et 48 V, - et fournit à 5 A une puissance respective de 140 W, 180 W et 240 W. Explications de Microchip.

Auteur : Fernando Gonzalez

Ingénieur d’application principal pour la branche APID (Analog Power and Interface Division)

Microchip Technology

La spécification USB Power Delivery 3.1 (USB PD 3.1) possède un mode d’alimentation à tension ajustable permettant des tensions intermédiaires entre 9 V et la tension fixe la plus élevée du chargeur. Elle devient ainsi bien plus flexible en répondant aux besoins de puissance individuels de chaque appareil.

La spécification USB PD 3.1 est aussi rétrocompatible avec les versions USB précédentes, jusqu’à 15 W (5 V/3 A) et le mode Standard Power Range (SPR) jusqu’à 100 W (20 V/5 A).

La capacité à négocier la puissance pour chaque appareil constitue à ce niveau un point fort important de cette spécification. En effet, un appareil ne consomme que la puissance dont il a besoin et qui varie en fonction de l’application.

Ceci est vrai pour les périphériques, dans lesquels un processus de gestion de l’alimentation permet à chaque composant de ne prendre que la puissance nécessaire. La spécification USB PD 3.1 a trouvé ainsi sa place au sein d’un large éventail d’applications, dont, entre autres, les ordinateurs portables, les postes de jeu vidéo, les moniteurs, les machines et outils industriels, les petits robots et drones et les vélos électriques.

Une carte de démonstration pour l'USB-PD

Pour cette technologie, Microchip fournit une application de démonstration de double port de charge USB (PD) prenant en charge la spécification USB PD 3.1. La carte de référence de double port de chargement (DCP) USB PD MCP19061 est agencée pour montrer comment utiliser cette technologie sur des applications réelles.

La carte est complètement assemblée, programmée et testée pour évaluer et présenter les applications de charge intelligente contrôlées de façon numérique pour différentes applications USB-PD. Elle permet à chaque appareil connecté de demander le niveau de puissance optimal pour son propre fonctionnement.

 

 

Carte double port de charge USB (DCP) MCP19061

La carte montre un exemple de circuit de charge avec des protections robustes, l’allocation de charge entre les deux ports et la capacité de reconfigurer dynamiquement le profil de charge (en tension et courant) pour un appareil donné. Cette fonctionnalité d’équilibrage de la puissance entre les deux ports permet un meilleur contrôle du processus de charge, en plus de fournir la quantité adéquate de puissance à chaque appareil.

La carte fournit des tensions de sortie comprises entre 3 V et 21 V et des courants de sortie allant de 0,5 A à 3 A. Sa tension d’entrée maximale est comprise entre 6 et 18 V, la valeur recommandée étant de 12 V.

La carte est livrée avec un firmware conçu pour fonctionner avec une interface graphique et comprend des interfaces de connexion pour les communications ICSP (In-Circuit Serial Programming) et I2C.

Une carte pont "USB-vers-série" (par exemple la breakout board USB MCP2221A, référencée  BB62Z76A), associée à une interface graphique, permet en outre de tester rapidement différentes configurations avec des charges réelles sur les deux ports.

L’interface graphique de la carte DCP de Microchip nécessite un PC équipé de Microsoft Windows 7-11 et d’un port USB 2.0. Celle-ci montre les paramètres, le statut de la carte et les défauts, et permet la configuration par l’utilisateur.

Des Composants complémentaires pour la carte DCP

S’agissant d’une carte double port, elle possède deux canaux USB-PD indépendants chacun doté de son propre circuit frontal analogique (AFE, Analog Front End). Le circuit AFE intégré au composant MCP19061 de Microchip est un contrôleur abaisseur-élévateur à 4 commutateurs contrôlé numériquement et à signaux mixtes, doté de pilotes synchrones intégrés et d’une interface I2C.

 

 

Deux canaux USB-PD gérés de façon indépendante sur la carte DCP intégrant le MCP19061

 

De plus, l’un des canaux intègre le composant MCP22350 de Microchip, un contrôleur USB Type-C PD 2.0 compact hautement intégré, tandis que l’autre canal intègre le composant MCP22301 de Microchip, qui est un contrôleur de port USB Type-C PD autonome, compatible avec la spécification USB. Le MCP22350 fonctionne comme un contrôleur PD complémentaire d’un microcontrôleur, SoC (System-on-Chip) ou concentrateur USB externes.

Le MCP22301, quant à lui, est un composant PD intégré doté du microcontrôleur SAMD20, d’un processeur Arm Cortex -M0+ 32 bits faible consommation, avec MAC (Media Access Control) MCP22350 PD et couche physique (MAC/PHY).

Chaque canal possède également son propre circuit de protection de port UCS4002 USB Type-C, le protégeant contre les défauts mais également protégeant l’intégrité du processus de charge et le transfert de données.

 

 

Schéma électronique du composant abaisseur-élévateur à 4 commutateurs MCP19061

Traditionnellement, le connecteur USB Type-C embarque les lignes de données D+/D- (USB2), Rx/Tx pour USB3.x ou USB4, des lignes de configuration de canaux (CC) pour le contrôle du mode de charge, des lignes SBU (Sideband Use) pour les fonctions optionnelles, ainsi qu’une ligne de masse (GND).

Le UCS4002 protège les lignes CC et D+/D- contre un court-circuit vers une tension élevée. Il offre également une protection contre un court-circuit vers la masse, avec détection dédiée (SG_SENS).

Les FET de commutation intégrés sur la ligne VCONN (VCONN est une broche d’alimentation spécifique dans le connecteur USB Type-C) fournissent une protection contre les surtensions, sous-tensions, tensions inverses et surintensités grâce à la tension VCONN.

Le rail d’entrée de la carte comprend un commutateur PMOS comme protection contre les polarités inverses et un filtre EMI CLC. Le composant intègre également des fonctionnalités telles qu’un fusible sur l’alimentation (VDD) et une protection thermique, cette dernière étant pilotée par un capteur de température spécifique (le MCP9700) qui surveille la température de la carte.

 

 

Schéma électronique du composant de protection des ports USB UCS4002

Le UCS4002 offre également la possibilité de paramétrer, via la broche FCONFIG, la façon dont le composant signale les défauts (comportement de la broche FAULT#). Les broches CC, D+, D- et SG_SENS sont protégées contre les décharges électrostatiques (ESD) conformément aux normes IEC 61000-4-2 et ISO 10605.

La carte DCP intègre également une alimentation secondaire basée sur le régulateur à découpage et abaisseur de tension MCP16331 fournissant une tension de +5 V, ainsi qu’un régulateur linéaire à faible tension de déchet (LDO) MCP1825 fournissant la tension auxiliaire de +3,3 V.

Comment fonctionne la carte

La carte DCP MCP19061 montre comment le composant MCP19061 fonctionne dans une architecture abaisseur-élévateur à 4 commutateurs dans l’objectif de fournir des charges USB et de les charger selon la tension requise pour chacun au sein de la plage autorisée, quelle que soit la valeur de la tension d’entrée.

Elle est configurée pour réguler de façon autonome le niveau de tension et de courant de sortie pour chaque canal USB (leur profil de charge respectif), tout en communiquant simultanément avec les charges USB-C connectées, via la pile protocolaire USB-PD.

Tous les paramètres opérationnels sont programmables à l’aide des deux contrôleurs USB intégrés de Microchip, via une reconfiguration et personnalisation dynamiques des opérations de charge, des conversions d’énergie et d’autres paramètres du système.

La carte de démonstration montre comment mettre en œuvre la capacité de charge rapide PPS (Programmable Power Supply) de l’USB PD. Il s’agit d’une technologie de charge avancée capable d’ajuster en temps réel la tension et le courant afin d’optimiser la puissance fournie en fonction de l’état de charge de l’appareil.

Le MCP19061 fonctionne avec des boucles de contrôle du courant et de la tension afin de surveiller et de réguler la tension et le courant de charge. De plus, la carte détecte automatiquement la connexion/déconnexion des appareils de type USB-PD.

Lorsque la charge de type USB-PD est connectée au Port USB-C 1 (à droite de la carte électronique, c’est le port le plus élevé), la communication USB commence et la carte DCP MCP19061 affiche les profils de charge dans la fenêtre correspondant au Port 1. Si une autre charge USB-PD est connectée au Port USB-C 2, la fenêtre du Port 2 affiche les données associées.

Un contrôleur PWM en renfort

Le MCP19061 est un contrôleur abaisseur-élévateur à 4 commutateurs et à signaux mixtes hautement intégré, qui fonctionne de +4,5 V à +36 V et peut supporter jusqu’à +42 V de tension lorsqu’il ne fonctionne pas.

Plusieurs améliorations ont été ajoutées au MCP19061 pour assurer la compatibilité USB-PD avec un minimum de composants externes pour améliorer la calibration, la précision et la flexibilité. Il intègre un contrôleur PWM numérique avec un bus de communication série facilitant la programmabilité et la signalisation externes.

Le modulateur régule le flux de puissance en contrôlant la longueur des périodes actives/inactives du signal, ou la largeur des impulsions.

Le fonctionnement du MCP19061 permet à ce niveau une conversion d’énergie efficace, avec la capacité de fonctionner avec des topologies Buck (abaissement), Boost (élévation) et Buck-Boost, pour différents niveaux de tension qui peuvent être inférieurs, supérieurs ou égaux à la tension d’entrée.

Il fournit une précision et une efficacité excellentes en termes de conversion d’énergie pour les systèmes embarqués, tout en minimisant les pertes de puissance. Le composant intègre de façon native des fréquences de commutation ajustables, des pilotes de MOSFET et une protection avancée contre les défauts.

Les paramètres de fonctionnement, les niveaux de protection et les procédures de gestion des défauts sont supervisés par une machine à états propriétaire stockée dans sa propre mémoire non volatile, qui conserve également les paramètres d’exécution.

Les registres numériques internes gèrent la personnalisation des paramètres de fonctionnement, les profils de démarrage et d’arrêt, les niveaux de protection ainsi que les procédures de gestion des défauts. Pour configurer le courant et la tension de sortie, une tension de référence intégrée à haute précision est utilisée.

Des diviseurs internes d’entrée et de sortie facilitent la conception, tout en maintenant un haut niveau de précision. Grâce à un amplificateur de détection du courant (CSA, Current Sense Amplifier) à haute précision, la régulation et la mesure du courant sont très précises. Le MCP19061 comprend trois tensions LDO internes : une LDO 5 V (VDD) pour alimenter les circuits analogiques internes et les pilotes de grille, ainsi que pour fournir une tension 5 V externe une LDO 4 V (AVDD) alimente le circuit analogique interne une LDO 1,8 V alimente le circuit logique interne.

Le MCP19061 se présente dans un boîtier VQFN 5 x 5 mm à 32 fils, ce qui permet aux développeurs système de personnaliser les fonctions spécifiques à leur application sans occuper trop d’espace sur la carte ni nécessiter de composants supplémentaires coûteux.

Un bus série I2C 1 MHz assure la communication entre le MCP19061 et le contrôleur système. Le MCP19061 peut être programmé de façon externe.

A des fins d’évaluation et de tests avancés, Microchip fournit également une carte d’évaluation pour le circuit MCP19061, la carte EV82S16A.