L’evoluzione di USB Type C nelle applicazioni “power only”

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Sin dalla loro introduzione, avvenuta oltre due decenni fa, i connettori USB e i relativi standard sono stati oggetto di continue evoluzioni relative sia alla velocità di trasferimento dati e all’erogazione di potenza, sia allo stesso connettore fisico. Introdotto nel 2014, USB Type C è lo standard più recente e si distingue per alcune caratteristiche tra cui la reversibilità (ovvero la possibilità di inserirlo da entrambi i lati), la compattezza dimensionale, il funzionamento bi-direzionale, la maggiore velocità di trasferimento dati e la capacità di erogare potenze più elevate. I connettori USB sono definiti per mezzo di tre standard differenti, anche se correlati tra di loro, che specificano il connettore fisico, il protocollo di trasmissione dati e la quantità di potenza erogata. Spesso le relazioni che intercorrono tra questi vari standard sono fraintese. Prima di esaminare in dettaglio l’evoluzione del connettore Type-C “power-only” (ovvero che fornisce solo potenza), un’utile introduzione sui vari standard USB è disponibile su questo blog post di CUI Devices.

Standard USB: un po’ di chiarezza

A livello base, lo standard USB Type C definisce il connettore fisico che è presente sugli odierni dispositivi elettronici come laptop e telefoni cellulari. USB 3.2 e altri protocolli per il trasferimento dati riguardano solamente i segnali elettrici. Questi standard sono abbastanza sinonimi gli uni con gli altri, ma un progettista può utilizzare un protocollo per il trasferimento dati come USB 3.2 per il sistema che sta sviluppando e implementare un connettore proprietario che non è associato ad alcuno degli standard definiti per i connettori fisici USB.

Una logica del tutto simile è applicabile alla specifica USB PD (Power Delivery). In grado di supportare valori di corrente e tensione nominali che arrivano fino a 5 A e 20 V rispettivamente, i connettori USB Type C possono erogare una potenza massima di 100 W, come previsto dallo standard USB PD 3.0. Ma, ancora una volta, anche se spesso associati, la specifica relativa all’erogazione di potenza (Power Delivery) è in realtà controllata dal circuito di ricarica e limitata solamente dalla tensione e correnti nominali del connettore fisico USB Type C. Tuttavia, la capacità intrinseca di USB Type C di supportare potenze più elevate ha permesso di creare nuove opportunità per questo connettore nel settore dell’erogazione di potenza.

Tab. 1 – Livelli di erogazione della potenza previsti dalla specifica USB PD

I vantaggi di USB Type C nei progetti di potenza

Un connettore standard USB Type C a 24 contatti – 16 per il trasferimento dati, 4 per la potenza e gli altri 4 per la massa – supporta un trasferimento di potenza fino a 100 W. Quando non è necessario il trasferimento dati, questo connettore si propone come una valida opzione per le applicazioni di potenza in grado di sostituire un connettore di potenza in DC standard.

Il vantaggio di utilizzare USB come metodo per l’erogazione della potenza è indubbiamente legato alla standardizzazione. I connettori USB sono praticamente ovunque, mentre USB Type C si sta affermando sempre più come connettore universale in un gran numero di dispositivi elettronici. L’Unione Europa sta facendo molta pressione per rendere USB Type C il connettore standard per tutti i dispositivi che vengono venduti negli Stati membri. A questo punto non si devono sottovalutare i vantaggi per l’utente finale, che può utilizzare un unico cavo standard per il collegamento di un’ampia gamma di dispositivi. Ma l’utente finale non è il solo a trarre benefici dall’adozione di USB Type C: gli OEM possono avere accesso a una catena di fornitura stabile grazie all’uso su larga scala di USB, mentre la standardizzazione, oltre a garantire un elevato livello di interoperabilità, contribuisce a semplificare l’integrazione in fase di progetto. Senza dimenticare che i connettori USB Type C sono caratterizzati da ingombri più ridotti rispetto alla maggior parte dei connettori di potenza in DC e assicurano, grazie ai 10.000 cicli di accoppiamenti nominali, elevate doti di robustezza e affidabilità.

Connettori USB Type C di tipo “power-only”

Per poter sfruttare i numerosi vantaggi appena sopra delineati, CUI Devices ha introdotto prese USB Type C “power only” da utilizzare in tutti quei progetti per i quali l’unica funzione richiesta è l’erogazione di potenza o la ricarica. Per espletare tale compito, nelle prese USB Type C “power only” da 60 W della società non sono presenti i 16 contatti preposti al trasferimento dati e 2 contatti di massa, ma solamente 4 contatti di potenza e 2 contatti di massa. La versione da 100 W prevede invece tutti i contatti di potenza e di massa, per un totale di 8 contatti.

Fig. 1 – Mentre USB Type C prevede 24 contatti, le versioni “power only” sono disponibili in modelli a 6 e a 8 contatti

Grazie all’eliminazione dei 16 contati preposti al trasferimento dati, il design del connettore USB Type C “power only” risulta molto più semplice, in quanto prevede solamente 6 oppure 8 contatti invece di 24, il che comporta una sostanziale diminuzione dei costi. Anche la complessità e il tasso di guasto risultano ridotti, poiché diminuisce sensibilmente il numero di contatti e di giunti saldati che potrebbero guastarsi. A questo punto potrebbe sorgere il dubbio che, poiché questi connettori non trasferiscono dati, potrebbero richiedere un cavo USB Type C “ad hoc”. Non è il caso dei connettori “power only”, che possono interfacciarsi con qualsiasi cavo USB Type C standard che trasporta dati e potenza e quindi per il loro funzionamento non richiedono alcun hardware particolare e non devono soddisfare requisiti specifici.

A questo punto è importante sottolineare il fatto che, data l’assenza dei pin preposti al trasferimento dei dati, il processo di negoziazione della potenza previsto da USB 3.0 non ha luogo. Ciò significa che il dispositivo di ricarica utilizzerà l’impostazione predefinita dello standard USB (ovvero una ricarica a 5V e 1A) per il trasferimento di potenza. In tutti gli altri casi il connettore USB Type C “power only” opererà come qualsiasi altra presa di potenza e il processo di ricarica sarà gestito dalla combinazione adattatore/circuito di ricarica.

Altre considerazioni sulla potenza

Anche se i connettori USB Type C vengono ora utilizzati in una pluralità di applicazioni, i connettori di potenza in dc e altri connettori di potenza dedicati hanno ancora i loro spazi applicativi. In primo luogo, a causa del limite superiore imposto di 100 W, i connettori USB Type C non sono adatti per progetti che richiedono potenze superiori a questo valore. La standardizzazione degli ingombri di USB Type C comporta indubbi vantaggi, ma può rappresentate un limite in tutti quei casi in cui sono richieste alternative per quanto concerne ingombri o dimensioni del package. In altri termini, qualora fosse richiesta una soluzione caratterizzata da un elevato grado di personalizzazione, la standardizzazione di USB Type C potrebbe rappresentare un ostacolo. Per maggiori informazioni sulle applicazioni per le quali i connettori di potenza potrebbero rappresentare la migliore opzione disponibile, è possibile consultare il blog di CUI Devices relativo alle modalità di scelta di un connettore di potenza in continua.

L’avanzata di USB Type C

Grazie alla possibilità di erogare potenze fino a 100 W e alla standardizzazione su scala globale, i connettori USB Type C si propongono come una valida opzione per la trasmissione e la gestione della potenza. Le prese USB Type C di CUI Devices, caratterizzate da costi contenuti e semplicità di integrazione nei progetti, si propongono come una soluzione particolarmente efficace per tutte quelle applicazioni per cui l’erogazione di potenza è la sola funzione richiesta.

Attualmente CUI Devices propone una presa USB Type C “power only” da 60 W caratterizzata da correnti e tensioni massime di 3 A e 20 V rispettivamente. E’ anche disponibile una versione a 100 W in grado di supportare i valori massimi di correnti e tensioni (5 A e 20 Vdc) previsti dai connettori USB Type C.

Jeff Smoot (CUI Devices)

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