Couverture ElectroniqueS n°127

Pour les ingénieurs œuvrant sur des projets USB Type-C, la transmission de données à haut débit, mais aussi la délivrance de l'énergie conformément à la spécification USB PD, impliquent de nombreux défis à relever. L'identification et la sélection des composants de commutation et de protection appropriés s'avèrent un passage obligé. L adernière mouture de la norme USB, alias USB Type-C, combine diverses caractéristiques essentielles visant à répondre aux besoins des utilisateurs: - la mise en œuvre de la spécification USB PD (Power Delivery) de délivrance de l'énergie avec des capacités de charge supérieures, - l'adoption de la spécification USB 3.1 SuperSpeed de transmission des données à haut débit, afin de répondre aux besoins croissants de bande passante, - la définition d'un connecteur miniature réversible (insérable dans les deux sens) et l'usage d'un câble bi-directionnel plus pratique et polyvalent pour l'utilisateur. La spécification USB PD est une réponse aux initiatives cherchant à normaliser les chargeurs d'appareils mobiles, en tirant parti de la tension d'alimentation 5V USB 2.0 VBUS et du connecteur Micro-USB existants. Avec ces évolutions, les fabricants ne sont plus tenus de livrer chaque appareil avec son chargeur dédié, alors que le gaspillage est réduit lorsque l'utilisateur décide, par exemple, de remplacer son téléphone sans fil. L'USB PD augmente la puissance maximale qu'il est possible de fournir par l'intermédiaire d'une connexion USB. Différents profils sont ainsi spécifiés: 18 W, 36 W, 60 W et 100 W (la valeur est limitée par la législation relative à la sécurité sur la distribution de l'énergie). Cette capacité à fournir davantage de puissance aux appareils offre deux intérêts. D'une part, le temps de chargement est plus court. D'autre part, il est désormais envisageable d'alimenter plusieurs appareils via un port USB. Ce qui limite la nécessité de fabriquer et de jeter un grand nombre d'adaptateurs secteur externes. ROBERT HEINZELMANN (TOSHIBA ELECTRONICS EUROPE) Après avoir rejoint Toshiba en 2001, Robert Heinzelmann a exercé diverses fonctions au sein de cette entreprise. Affecté à Düsseldorf, il est actuellement directeur général, responsable des ventes pour les semi-conducteurs. Les profils de puissance sont définis à partir de tensions comprises entre 5V et 20V, avec des intensités allant jusqu'à 5 A. Les appareils consommateurs d'énergie doivent négocier la puissance dont ils ont besoin après démarrage de la connexion dans un mode 5 V/2 A (voir figure 1 ) par défaut. Ce dernier garantit la sécurité des anciens appareils conformes à la norme USB 2.0. Des débits de données jusqu'à l'USB 3.1 et au-delà La spécification PD permet également aux appareils d'agir soit comme une source, soit comme un récepteur d'énergie, par le biais de la connexion USB. Par exemple, un moniteur avec une alimentation secteur sera en mesure d'alimenter un ordinateur portable via son port USB-C, tout en servant de concentrateur pour d'autres périphériques comme des lecteurs de disques externes. Cette méthode évite de brancher l'ordinateur portable sur une prise secteur. Les échanges de données entre les deux appareils ne sont pas affectés par le transfert de l'énergie. L'USB-C prend en charge tous les débits de données USB précédents, jusqu'à l'USB SuperSpeed 10 Gbit/s, tels que définis dans la spécification USB 3.1. De plus, l'USB-C supporte des débits jusqu'à 20 Gbit/s, ce qui lui assure une évolutivité à l'épreuve du temps. L'interface de couche physique USB-C dispose de deux jeux de paires de données (D+/D-) pour assurer la rétro-compatibilité avec les spécifications USB précédentes comme l'USB 2.0, tout en autorisant les vitesses plus élevées correspondant à l'USB 3.0 et à l'USB 3.1. L'USB-C accepte également un mode alternatif pour l'utilisation d'une norme « invitée » telle que HDMI. Cela signifie que de la vidéo ou de l'audio seront si nécessaire transmises sur le même câble que les données USB et l'alimentation. La prise USB-C n'est pas polarisée et sera insérée dans un sens ou dans l'autre. En outre, un seul type de fiche et de prise est prévu. Les câbles sont donc réversibles et l'alimentation comme les données circule-ront dans les deux sens entre les deux appareils. Un câble USB-C est utilisable avec les anciens connecteurs USB Type A/B, Mini-USB ou Micro-USB au prix d'un adaptateur. Aucune modification électrique n'est nécessaire. Au fur et à mesure que les anciens équipements seront remplacés, de moins en moins d'adaptateurs seront requis. Les autres normes de connectivité (VGA, HDMI et DisplayPort) sont aussi gérables à l'aide d'adaptateurs. Le connecteur USB-C dispose de 24 broches, au pas de 0,5mm, et son facteur de forme est typiquement de 8,4x2,6mm. L'affectation des broches fait que la nouvelle norme est rétrocompatible avec les équipements USB 2.0 existants, tout en tenant compte des spécifications USB 3.1 et PD. Les broches CC ( Configuration Channel , ou canal de configuration) déterminent l'orientation du câble et assurent les négociations PD entre la source d'énergie et les appareils clients. Les exigences de conception pour l'USB-C Le surcroît de performances et l'aspect pratique qu'offre l'USB-C rendent plus complexes les circuits présents derrière le port externe vu par l'utilisateur. Contrairement aux connexions USB 2.0 et USB 3.0/3.1, l'incorporation de l'USB PD dans l'interface USB-C exige que les commutateurs de contrôle de puissance soient en mesure de supporter 20V ou plus. Dans le même temps, une faible résistance à l'état passant est pré-requise pour minimiser les pertes d'énergie et les problèmes thermiques indésirables, mais aussi pour se conformer aux réglementations en termes de tension USB minimale. Pour les lignes de données USB-C, une protection externe contre les décharges électrostatiques (ESD) est nécessaire, sachant que les transceivers rapides sont de plus en plus sensibles à ce genre de perturbation. Des diodes TVS ( Transient Voltage Suppression ) de suppression des tensions transitoires sont couramment mises à profit. Cependant, un débit de données extrêmement élevé (10 Gbits/s pour l'USB 3.1) suppose de la part des concepteurs qu'ils accordent une attention particulière au compromis qui doit être réalisé entre la capacité terminale (Ct) des diodes TVS et le niveau de protection contre les ESD souhaité. La première sera limitée pour éviter la corruption des données, tandis que le second sera de mise pour assurer la robustesse du circuit vis-à-vis des décharges électrostatiques. Le dernier défi à relever est lié à la nouvelle interface à connecteur réversible. Cette réversibilité nécessite des dispositifs de commutation internes, pour assurer le « mappage » des broches du bus de don-nées en fonction du sens selon lequel le connecteur est inséré. Et ce, tout en conservant un débit de transmission des données élevé selon deux chemins différents. Les solutions de contrôle de puissance en présence Comme évoqué précédemment, plusieurs approches sont possibles pour contrôler la délivrance de l'énergie. Pour une application donnée, le choix sera souvent dicté par des considérations en rapport avec le coût des composants, l'encombrement final, la consommation d'énergie et le besoin de fonctions de protection supplémentaires (par exemple, une coupure thermique et une protection contre les surtensions). Le commutateur de puissance illustré figure 2 fait appel à des Mosfet canal P. Compte tenu de l'augmentation des tensions maximales admissibles, les tensions nominales correctes doivent être respectées. Des Mosfet de - 30V, tels ceux de la série SSM6J50xNU de Toshiba, constitueront une bonne sélection pour cette tâche. Avec ces transistors, les concepteurs tireront le plus grand profit d'une tension VGSS de +20/-25V pour contrôler la grille directement à partir du circuit de gestion d'énergie (PMIC, Power Management IC ). Ce qui évitera le recours à un circuit de commande (driver) séparé. Les Mosfet adéquats sont notamment le SSM6J507NU avec sa faible résistance à l'état passant de 19mO (valeur typique à V GSS -4,5V), ou encore le SSM6J509NU dont le prix est très compétitif. Ces deux transistors seront mis en œuvre dans les applications fonctionnant dans n'importe lequel des cinq profils définis dans la spécification PD. Une alternative à la solution à Mosfet précédente prend la forme d'un commutateur de charge intégré. Occupant une surface de carte moindre, la réalisation sera plus compacte, tout en offrant des fonctions de protection intégrées. Les commutateurs de charge 28 V TCK30xG disposent d'une coupure thermique et d'un verrouillage en cas de tension insuffisante (UVLO, Under-voltage lockout ). La protection contre les surtensions est ici fixée à 6,6 V, 10,5 V ou 15,5V. Dans le cas des applications USB-C, les autres caractéristiques intéressantes sont une faible résistance à l'état passant (35 à 65mO), une protection ajustable (par l'intermédiaire d'une résistance externe) contre les surintensités jusqu'à 3A et une vitesse de balayage (slew rate) réglable via un condensateur externe. Toutes ces fonctionnalités font de la famille TCK30xG la solution la plus compacte qui soit pour la charge USB jusqu'au profil 3. En outre, avec deux commutateurs disposés en cascade, on réalisera une structure avec une option de charge primaire et une option de charge secondaire. Ce qu'indique la figure 3, où charges USB et sans fil sont associées. Les circuits TCK30xG sont utilisés en configuration à 2 entrées/ 1 sortie, afin de gérer deux options de charge différentes, le port USB étant la source par défaut. Comme choix alternatif à la famille TCK30xG, la nouvelle série TCK34xG dispose de fonctions additionnelles comme le slew rate ajustable et la limitation de l'intensité du courant. Les valeurs souhaitées sont fixées à l'aide d'un condensateur et d'une résistance externes ( voir figure 4 ). Étant donné que les commutateurs de charge TCK34xG sont pourvus d'une fonction de verrouillage en cas de surtension au-delà de 20 V, ils constituent une solution intégrée de premier choix pour supporter la charge USB selon le profil 4. Afin de tirer le plus grand profit de la faible résistance à l'état passant des Mosfet canal N, il sera judicieux de passer d'une solution de commutation de charge intégrée à une réalisation à base de Mosfet discrets avec un pilote de grille adapté. Pour ce qui est de ce dernier, le TCK40xG ( voir figure 5 ) est un candidat tout trouvé. Il exploite un procédé de fabrication haute tension, lui permettant d'encaisser jusqu'à 40 V. Il inclut une pompe de charge pour générer la tension de commande de grille de 4 à 12 V requise pour commander les Mosfet canal N externes à faible R DS(on) comme le SSM6K513NU. La résistance à l'état passant de celui-ci est typiquement de 8mO seulement, à V GS 4,5V. La figure 6 illustre l'effet de la faible résistance à l'état passant du SSM6K513NU sur les performances thermiques, lorsqu'il est piloté par le TCK40xG. Par rapport aux produits concurrents comparables (à droite), la paire de SSM6K513NU (à gauche) fonctionne à une température plus faible de 16 °C. La simulation a été réalisée lors de la fourniture de la puissance selon le profil 5 (100 W) à 5 A. En termes d'encombrement, les deux Mosfet canal N et le pilote de grille TCK40xG occupent une surface de carte de 15 mm 2 (boîtiers SOT12229 de 2 x 2 mm pour les Mosfet, boîtier WCSP à 6 billes de 0,8 x 1,2 mm pour le driver). Il s'agit donc d'une solution compacte si l'on considère la faible résistance à l'état passant globale des commutateurs de puissance. Par rapport à d'autres approches, la structure à double Mosfet canal P tient sur 10 mm 2 ,tandis qu'un circuit de com-mutation de charge monopuce comme le TCK30xG se contente de 2,3 mm 2 seulement. Cependant, sans surprise, la solution dont l'empreinte est la plus petite offrira des performances en retrait, compte tenu des pertes intrinsèques et des profils de puissance supportés. Protéger les lignes de données Lorsque l'on considère les dispositifs de protection anti-surtension pour lignes VBUS, il faut s'assurer que la tension de fonctionnement du dispositif choisi couvre effectivement la tension maximale possible. En effet, les différents profils de puissance autorisent des tensions VBUS allant de 5V à 20 V. Avec sa nouvelle famille DF2SxxP, Toshiba propose des diodes TVS à courant crête élevé, qui répondent au problème posé. Ces composants garantissent une protection contre les décharges par contact jusqu'à ±30 kV, le tout dans un petit boîtier. Si la protection VBUS, avec la faculté à encaisser un courant impulsionnel élevé et l'acceptation d'une tension VBUS de 20 V, est un point essentiel pour protéger les lignes de données, garantir l'intégrité de celles-ci l'est également. De fait, une distorsion minimale des données à haut débit est primordiale. Les diodes TVS qui protègent les lignes de données de l'interface USB-C vis-à-vis des ESD doivent offrir une protection conforme à la norme IEC-61000-4-2 (y compris contre les décharges de contact jusqu'à ± 20 kV), ainsi qu'une empreinte limitée et une faible capacitance Ct. Une approche directe de la protection ESD consiste à opter pour des diodes TVS simples à faible capacitance (0,2 pF) comme les DF2B5M4SL. Si ces diodes se présentent sous la forme d'un boîtier SOD962 de 0,6 x 0,3 mm, la prochaine génération en boîtier SOD992, dont les dimensions sont de 0,4 x 0,2 mm, pointe déjà à l'horizon. En plus de la diode TVS simple, il est possible de privilégier un réseau de diodes TVS multi-bits à faible capacitance. Ainsi, le réseau DF5G5G5M4N a pour mission de protéger deux paires de signaux (RX1+/RX1-, TX1+/TX1-). Le boîtier est de type DFN5 (1,3 x 0,8 mm). Il autorise une implantation traver-sante compacte, lorsque l'on ne peut monter qu'un seul boîtier au niveau du bus de données. La faible capacité Ct de 0,2 pF préserve l'intégrité des données et minimise les pertes d'insertion. La figure 7 montre l'effet de l'augmentation de Ct sur les pertes d'insertion (courbe de gauche) et sur l'intégrité du signal (diagrammes de l'œil à droite). La commutation des lignes de données Le dernier défi auquel sont confrontés les concepteurs vient de la nécessité de commuter les lignes de données. En effet, le connecteur réversible fournit un chemin de données séparé de chaque côté, ce qui signifie que le chemin USB actif doit pouvoir être commuté de l'extérieur. Dans ce cas, un commutateur de bus fournira l'élément final pour résoudre les problèmes de protection et de contrôle des lignes de données, inhérents au débit élevé des interconnexions USB-C. Un commutateur comme le TC7PC13212MT est nécessaire pour modifier l'affectation des broches du bus en fonction du sens dans lequel la prise USB-C se trouve lors de l'insertion ( voir figure 8 ). La figure 9 montre le résultat du test de conformité aux débits de données USB 3.1, et illustre le fait que l'intégrité du signal est préservée jusqu'à 10 Gbit/s. n

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