Nowe kontrolery USB-C z wbudowanymi obwodami zabezpieczającymi

Specyfikacja interfejsu USB-C pozwala na dowolną orientację wtyczki i kabla (możliwość odwracania), co upraszcza podłączanie i zasilanie rozmaitych urządzeń. Złącze typu C pozwala też wykorzystać wszystkie funkcje USB, w tym transmisję z szybkością 480 Mbps zgodnie ze standardem USB 2.0 lub z szybkością Super Speed+10 Gbps zgodnie ze standardem USB 3.1. Zwiększona została też moc zasilająca, jaką interfejs ten jest w stanie dostarczyć do obciążenia - od 5 V / 0,5 A do nawet 20 V / 5,0 A (100 W).

Pozwala to na zasilanie i ładowanie z portu USB-C nawet dużych urządzeń jak laptopy. Kontroler pozwala też na zarządzanie aktywnymi kablami (z wbudowanym chipem E-mark), które wydłużają zasięg połączenia i zapewniają zasilanie z najwyższym poziomem mocy oraz umożliwiają pracę w trybie alternate. Układ pozwala na obsługę w tym samym kablu innych protokołów, takich jak HDMI lub DisplayPort i realizację obrazów i wideo w dużej rozdzielczości w tym także 4K.

Zapewnienie wysokiej funkcjonalności interfejsu USB-C wymaga zastosowania bardziej złożonego kontrolera, takiego, który zapewnia negocjację warunków zasilania, przeplatanie linii komunikacyjnych po obróceniu wtyczki w gnieździe i podobne funkcje. Ponieważ maksymalne napięcie VBUS w najnowszej wersji interfejsu zostało podniesione aż do 20 V, bardzo ważnym zagadnieniem staje się zapewnienie dodatkowej ochrony niskonapięciowych układów scalonych.

Dwa kontrolery

Rys. 1. Dwa kontrolery i sposoby ich aplikacji

Nowe kontrolery upraszczają wybór opcji dostępnych dla projektantów. Jeden układ jest przeznaczony do kontroli portów urządzeń podrzędnych (downstream, DFP). Drugi układ z kolei może obsłużyć zarówno urządzenia podrzędne (DFP), nadrzędne (UFP), jak i urządzenia pełniące obie te funkcje (DRP).

Oba sterowniki dają możliwość podłączenia wtyczki oraz kabla w dwóch orientacjach, co jest jedną z najbardziej widocznych dla użytkownika zmian, jakie w technice przyniósł USB-C. Układy pracują w szerokim zakresie napięć zasilania, od 3 do 22 V, bez potrzeby stosowania zewnętrznego stabilizatora napięcia, co oznacza zmniejszenie wymaganej liczby komponentów i oszczędność miejsca na płytce drukowanej.

W produkcji kontrolerów STMicroelectronics wykorzystał proces technologiczny CMOS identyczny z używanym dla układów analogowych. Dzięki temu uzyskano niski pobór mocy oraz niezawodną i stabilną pracę także przy wysokich napięciach zasilających.

Co więcej, wbudowane w strukturę scaloną zabezpieczenia sprawiają, że układy są w stanie wytrzymać przepięcia do 22 V na liniach sterujących (CC) i 28 V na pozostałych pinach. Kontroler wytrzymuje także zwarcia linii interfejsu do masy i do VBUS. Ponadto wbudowany obwód rozładowujący zapewnia bezpieczne rozładowanie potencjału dla VBUS oraz VCONN podczas odłączania przewodów.

Uniwersalna konstrukcja

Fot. 2. Płytki ewaluacyjne dla STUSB1602 i STUSN4710

Na rysunku 1 pokazano schemat blokowy kontrolera DFP STUSB4710. Może on być zasilany z zasilacza sieciowego lub akumulatora i zawiera wszystkie elementy potrzebne do negocjacji warunków zasilania do podłączonych urządzeń (PD). Kontroler może obsłużyć do 5 profilów Power Delivery (PDO). Dzięki wbudowanej pamięci nieulotnej jest on w pełni konfigurowalny i może po konfiguracji dalej pracować bez pomocy zewnętrznego mikrokontrolera lub CPU hosta.

Można go zatem wykorzystać bezpośrednio bez dodatkowego oprogramowania firmware i przy mniejszej komplikacji sprzętowej układu. W przypadku systemów z wieloma wyjściami (na przykład 4-wyjściowy switch lub hub sieciowy) z wykorzystaniem interfejsu I²C możliwe jest równoległe łączenie kilku jednostek STUSB4710 do jednego mikrokontrolera w celu implementacji algorytmów zarządzających zasilaniem i dzieleniem mocy zasilania dla całości systemu.

Drugi układ - STUSB1602 - może zarządzać portami USB-C jako odbiorniki energii (Sink) lub źródła zasilania (Source). Wbudowany układ konfiguracji połączenia Configuration Channel (CC) obsługuje cały proces negocjacji i konfiguracji połączenia, w tym wybór domyślnego napięcia linii VBUS i załączenie trybu średniej lub dużej wydajności prądowej.

Ponadto układ zawiera przełącznik mocy linii VCONN o obciążalności 600 mA w celu obsługi akcesoriów i aktywnych kabli. Wersja STUSB1602 ma zaimplementowaną także warstwę fizyczną USB PD (w tym układ realizujący kodowanie bifazowe), co pozwala na obsługę stosu oprogramowania dla funkcji PD (Power Delivery) za pomocą zewnętrznego mikrokontrolera.

Zarówno warstwa sprzętowa, jak i oprogramowanie otrzymały certyfikat zgodności z USB PD 2.0 - układ może pracować jako źródło oraz jako urządzenie odbiorcze (sink). Kontroler jest również kompatybilny z podstawowymi możliwościami USB 3.0 i większością dostępnych opcji. Model STUSB1602 obsługuje tryby dla akcesoriów i tryb wyczerpanej baterii.

Kontrolery produkowane są w obudowach QFN24 o wymiarach 4×4 mm. Pracują w zakresie temperatur od -40 do 105°C.

Dla konstruktorów producent przygotował dwie płytki ewaluacyjne. STUSB1602 (P-NUCLOI-USB002) zawiera poza kontrolerem także mikrokontroler STM32F0 oraz kabel typu C. Z kolei płytka ewaluacyjna z kontrolerem STUSN4710 (STEVAL-ISC003V1) zawiera przetwornicę DC/DC.