USB-C para transferência de dados e carregamento rápido

Todo mundo está carregando todos os dias, o tempo todo, em vários dispositivos, em todos os lugares que você olha. À medida que mais designs optam pelo uso de conexões USB Type-C® em vez de USB Type-A, esse tipo de conexão precisa ser compreendido minuciosamente pelo engenheiro de design. O USB Type-C tem algumas vantagens significativas, com algumas complicações. O lançamento do USB Type-C adiciona mais capacidades a essas conexões do que apenas carregamento. Dados também estão sendo trocados em velocidades muito altas.

Embora as designações para várias versões e tipos de USB-C possam ser confusas, entender que o USB-C é um divisor de águas é essencial por várias razões delineadas neste artigo.

A Revolução do USB

Desde sua introdução em 1996, o USB revolucionou a forma como conectamos nossos computadores a dispositivos periféricos, substituindo uma infinidade de portas seriais e paralelas desatualizadas. Mas isso foi apenas o começo. Com o lançamento do USB 2.0 em 2000, as velocidades atingiram impressionantes 480Mbps, e as capacidades de energia foram aumentadas para 500mA, tornando possível carregar telefones celulares e outros dispositivos.

As melhorias não param por aí. O USB 3.0, ou USB 3.1 Gen 1, pode lidar com velocidades de dados de até 10Gbps, enquanto o USB 3.1 Gen 2 dobra isso para impressionantes 20Gbps. Os mais recentes conectores USB-C, introduzidos em 2014 (Figura 1), estão rapidamente dominando o mundo, e com uma recente exigência da UE que requer seu uso em carregadores e dispositivos, fica claro que o USB-C é o caminho do futuro. Mas, com diferentes formatos e níveis de revisão, os engenheiros de projeto devem ter cuidado para garantir a compatibilidade.

Os Melhores Treinamentos sobre Sistemas embarcados e IoT

Cursos com professores qualificados para acelerar sua carreira e projetos

MATRÍCULE-SE AGORA

Configuração de conexão USB-C

Uma conexão USB-C inclui um canal de configuração (CC) (Figura 2) que é usado quando um dispositivo é conectado para determinar a orientação (invertida) do cabo e estabelecer um “contrato” de fornecimento de energia passivamente ou ativamente entre a fonte e a carga (e o cabo, como veremos). A carga (porta downstream) pode detectar a capacidade da fonte ao detectar o valor de uma resistência apresentada pela fonte. A Tabela 1 abaixo mostra as diversas possibilidades.

Quando um cabo USB-C é conectado pela primeira vez, a extremidade do dispositivo (carga) verifica um divisor de resistores conectado em ambos os lados do host e do dispositivo usando os pinos do conector CC (consulte a Figura 2). Esse divisor possui três níveis e indica se o host é básico com 5V/0,5A ou é capaz de um pouco mais em 1,5A ou 3,0A. Se o nível apropriado não for encontrado, o sistema permanecerá nos níveis mais baixos de dados e energia, mas continuará as operações.

A interpretação básica da linha CC pode aumentar a energia disponível para 3,0A, mas não pode elevar a voltagem acima de 5V. Se o host e a carga começarem a conversar sobre as linhas digitais (D+ e D-), a conexão pode ser atualizada para usar a operação de múltiplas voltagens PD.

USB para Transferência de Energia

Enquanto o USB era apenas um transportador de dados com capacidades limitadas de energia no passado, as versões mais recentes oferecem capacidades significativas de energia. O USB PD descreve o protocolo de entrega de energia que opera por meio desta interface. A comunicação de fonte para carga USB é em camadas múltiplas. O USB PD é uma versão específica que enfatiza a entrega de energia e muitas vezes tem comunicação de dados. O PD comunica as capacidades e necessidades de energia entre a fonte e a carga.

O padrão USB-C Power Delivery (PD) permite que a tensão seja de 5, 9, 15 ou 20V em níveis de energia de até 100W (Tabela 1). A corrente é um máximo de 5A, mas uma tensão de 5, 9, 15 ou 20V permite muito mais energia. Cabos USB-C PD “totalmente apresentados” têm um chip em seu corpo do conector de cabo chamado controlador de configuração de canal ou porta. Esses chips produzem um marcador eletrônico que informa a outra extremidade qual energia pode enviar e receber. Cabos com uma corrente de transmissão de 3A ou abaixo não precisam de um chip de configuração de canal. 

Mensagens PD são transmitidas em blocos de 196 bits a uma frequência de 300KHz +/- 10% sobre a linha CC. Ao final do pacote, um CRC de 32 bits é enviado, seguido por um token de final de pacote (EOP) de 4 bits que completa a mensagem.

Em uma configuração PD, um chip em cada conector de cabo detecta o tipo de conexão de energia em ambas as extremidades e ajusta o fornecimento de tensão. O dispositivo é alimentado/carregado e pode solicitar tensões intermediárias entre 5V e a tensão fixa máxima disponível do carregador.

Os cabos USB-C PD merecem alguma precaução. Cabos “básicos” podem não atender aos requisitos de tamanho de fio ou sinalização USB, portanto, verifique as especificações. Se sua fonte de alimentação for capaz e você conectar tudo corretamente, mas não estiver obtendo o nível de energia ou velocidade de sinal, o que muitas vezes é difícil de determinar, é provável que seja devido ao cabo.

Vantagens do USB PD

A transmissão de energia por USB PD oferece várias vantagens. Um dos principais benefícios é a disponibilidade de energia mais elevada, que é suficiente para alimentar laptops ou monitores e carregar rapidamente smartphones compatíveis. O processo de carregamento pode ser gerenciado pelo telefone, que pode instruir o carregador a diminuir ou aumentar a velocidade, dependendo da exigência de corrente. O USB PD também é altamente versátil, acomodando uma ampla gama de dispositivos, desde smartwatches até laptops. Além disso, os adaptadores de alimentação de parede (Figura 3) agora podem carregar com segurança quase qualquer dispositivo com alta eficiência e taxas otimizadas, simplificando o hardware e reduzindo custos por serem de direção única do adaptador.

Marcas

Em 2021, o Fórum de Implementadores USB (USB-IF) lançou logotipos atualizados de classificação de energia para cabos USB Tipo-C certificados, a fim de especificar as capacidades de energia dos cabos USB-C para os consumidores. Os cabos USB Tipo-C certificados agora apresentam logotipos (Figura 4) destacando o suporte para 60W ou 240W de energia, conforme definido pela recentemente publicada USB Power Delivery.

A padronização internacional do desempenho do USB para dados e energia agora foi formalizada na norma IEC 62680.

Conclusão

Em conclusão, o USB-C está se tornando cada vez mais popular e possui vantagens significativas em relação ao seu antecessor, o USB Tipo-A. As conexões USB-C não são apenas para carregamento, mas também para transferência de dados, com capacidade de transferência de dados de alta velocidade. As conexões USB-C possuem um canal de configuração que determina a orientação do cabo e estabelece um “contrato” de entrega de energia passiva ou ativa entre a fonte e a carga. Os últimos conectores USB-C podem lidar com velocidades de dados de até 20Gbps, e o padrão USB-C PD permite entrega de energia de até 100W em níveis de potência de até 5A.

No entanto, deve-se ter cuidado ao usar cabos USB-C PD, e é importante garantir que os cabos atendam aos requisitos de tamanho de fio e sinalização USB. Apesar da complexidade de suas conexões, o USB-C é o caminho do futuro.

Artigo escrito por Jim Harrison e publicado no blog da Mouser Electronics: USB-C for Data and Fast Charging

Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics.