USB-C para transferencia de datos y carga rápida

Todo el mundo está cargando todos los días, todo el tiempo, en múltiples dispositivos, mires donde mires. A medida que más diseños optan por utilizar conexiones USB Tipo-C® en lugar de USB Tipo-A, es necesario que el ingeniero de diseño comprenda a fondo este tipo de conexión. USB Tipo-C tiene algunas ventajas significativas, con algunas complicaciones. El lanzamiento del USB Tipo-C añade a estas conexiones más capacidades que la mera carga. También se intercambian datos a velocidades muy altas.

Aunque las denominaciones de las distintas versiones y tipos de USB-C pueden resultar confusas, entender que USB-C es un cambio de juego es esencial por varias razones que se exponen en este artículo.

La revolución USB

Desde su introducción en 1996, el USB ha revolucionado la forma en que conectamos nuestros ordenadores a dispositivos periféricos, sustituyendo a una plétora de anticuados puertos serie y paralelo. Pero eso fue sólo el principio. Con el lanzamiento del USB 2.0 en 2000, las velocidades alcanzaron unos impresionantes 480 Mbps, y las capacidades de alimentación aumentaron a 500 mA, haciendo posible cargar teléfonos móviles y otros dispositivos.

Las mejoras no acaban ahí. El USB 3.0, o USB 3.1 Gen 1, puede manejar velocidades de datos de hasta 10 Gbps, mientras que el USB 3.1 Gen 2 duplica esta cifra hasta unos impresionantes 20 Gbps. Los últimos conectores USB-C, introducidos en 2014 (Figura 1), se están imponiendo rápidamente en todo el mundo, y con la reciente exigencia de la UE de que se utilicen en cargadores y dispositivos, está claro que el USB-C es el camino del futuro. Pero con diferentes formatos y niveles de revisión, los ingenieros de diseño deben tener cuidado para garantizar la compatibilidad.

Configuración de la conexión USB-C

Una conexión USB-C incluye un canal de configuración (CC) (Figura 2) que se utiliza cuando se conecta un dispositivo para determinar la orientación (invertida) del cable y establecer un «contrato» de alimentación de forma pasiva o activa entre la fuente y la carga (y el cable, como veremos). La carga (puerto aguas abajo) puede detectar la capacidad de la fuente detectando el valor de una resistencia presentada por la fuente. La Tabla 1 muestra las distintas posibilidades.

Cuando se conecta por primera vez un cable USB-C, el extremo del dispositivo (carga) comprueba un divisor de resistencias conectado a ambos lados del host y del dispositivo mediante las patillas del conector de CC (ver Figura 2). Este divisor tiene tres niveles e indica si el host es básico con 5V/0,5A o es capaz de un poco más con 1,5A o 3,0A. Si no se encuentra el nivel adecuado, el sistema permanecerá en los niveles de datos y alimentación más bajos, pero seguirá funcionando.

La interpretación básica de la línea de CC puede aumentar la potencia disponible a 3,0 A, pero no puede elevar la tensión por encima de 5 V. Si el host y la carga empiezan a hablar a través de las líneas digitales (D+ y D-), la conexión puede mejorarse para utilizar el funcionamiento multivoltaje PD.

USB para transferencia de energía

Mientras que en el pasado el USB era sólo un soporte de datos con capacidades de alimentación limitadas, las últimas versiones ofrecen importantes capacidades de alimentación. USB PD describe el protocolo de suministro de energía que funciona a través de esta interfaz. La comunicación USB fuente-carga tiene varias capas. USB PD es una versión específica que hace hincapié en la entrega de potencia y a menudo tiene comunicación de datos. PD comunica las capacidades y necesidades de potencia entre la fuente y la carga.

El estándar USB-C Power Delivery (PD) permite que el voltaje sea de 5, 9, 15 o 20V con niveles de potencia de hasta 100W (Tabla 1). La corriente es de un máximo de 5 A, pero un voltaje de 5, 9, 15 o 20 V permite mucha más potencia. Los cables USB-C PD «totalmente equipados» tienen un chip en el cuerpo del conector del cable llamado controlador de configuración de canal o puerto. Estos chips producen un marcador electrónico que indica al otro extremo qué potencia puede enviar y recibir. Los cables con una corriente de transmisión de 3 A o inferior no necesitan un chip de configuración de canal.

Los mensajes PD se transmiten en bloques de 196 bits a una frecuencia de 300KHz +/- 10% a través de la línea CC. Al final del paquete, se envía un CRC de 32 bits, seguido de un testigo de fin de paquete (EOP) de 4 bits que completa el mensaje.

En una configuración PD, un chip en cada conector de cable detecta el tipo de conexión de alimentación en ambos extremos y ajusta el suministro de tensión. El dispositivo se alimenta/carga y puede solicitar tensiones intermedias entre 5 V y la tensión fija máxima disponible del cargador.

Los cables USB-C PD merecen cierta precaución. Los cables «básicos» pueden no cumplir los requisitos de tamaño del cable o de señalización USB, así que comprueba las especificaciones. Si tu fuente de alimentación es capaz y conectas todo correctamente, pero no obtienes el nivel de potencia o la velocidad de señal, que a menudo es difícil de determinar, es probable que se deba al cable.

Ventajas de la USB PD

La transmisión de energía mediante USB PD ofrece varias ventajas. Una de las principales ventajas es la disponibilidad de mayor energía, suficiente para alimentar portátiles o monitores y cargar rápidamente smartphones compatibles. El proceso de carga puede ser gestionado por el teléfono, que puede ordenar al cargador que reduzca o acelere la velocidad en función de las necesidades del momento. El USB PD también es muy versátil, ya que admite una amplia gama de dispositivos, desde smartwatches a ordenadores portátiles. Además, ahora los adaptadores de corriente de pared (Figura 3) pueden cargar con seguridad casi cualquier dispositivo con gran eficacia y velocidades optimizadas, simplificando el hardware y reduciendo los costes al ser adaptadores unidireccionales.

Marcas

En 2021, el USB Implementers Forum (USB-IF) publicó logotipos actualizados de clasificación de potencia para cables USB Tipo-C certificados, con el fin de especificar las capacidades de potencia de los cables USB-C para los consumidores. Los cables USB Tipo-C certificados llevan ahora logotipos (Figura 4) que destacan la compatibilidad con 60 W o 240 W de potencia, según lo definido por la recientemente publicada USB Power Delivery.

La normalización internacional de las prestaciones USB para datos y alimentación se ha formalizado ahora en la norma IEC 62680.

Conclusión

En conclusión, el USB-C es cada vez más popular y tiene ventajas significativas sobre su predecesor, el USB Tipo-A. Las conexiones USB-C no sirven sólo para cargar, sino también para transferir datos, con capacidad de transferencia de datos a alta velocidad. Las conexiones USB-C tienen un canal de configuración que determina la orientación del cable y establece un «contrato» para la entrega de energía pasiva o activa entre la fuente y la carga. Los últimos conectores USB-C pueden manejar velocidades de datos de hasta 20 Gbps, y el estándar USB-C PD permite una entrega de energía de hasta 100 W a niveles de potencia de hasta 5 A.

Sin embargo, hay que tener cuidado al utilizar cables USB-C PD, y es importante asegurarse de que los cables cumplen los requisitos de tamaño de cable y señalización USB. A pesar de la complejidad de sus conexiones, USB-C es el camino del futuro.

Artículo escrito por Jim Harrison y publicado en el blog de Mouser Electronics: USB-C para datos y carga rápida

Traducido por el equipo de Embarcados. Visite la página de Mouser Electronics sobre Embarcados

(*) Este post ha sido patrocinado por Mouser Electronics.