La crescente richiesta di potenza da parte dei dispositivi elettronici moderni, come notebook, monitor di grandi dimensioni e single board computer, ha portato allo sviluppo dello standard USB Type-C con funzionalità Power Delivery, capace di arrivare fino a 100 W nelle configurazioni previste. L’articolo descrive l’evoluzione dello standard USB sia in termini di velocità di trasferimento dati sia di potenza disponibile, confrontando USB 1.x, 2.0, 3.x, USB Type-C e USB PD 3.0.
Per implementare una alimentazione tramite Power Delivery vengono introdotte le due entità fondamentali: “source”, ovvero la sorgente che fornisce energia, e “sink”, il dispositivo che la riceve. Vengono richiamate anche le denominazioni DFP e UFP (Downstream e Upstream Facing Port) e il concetto di TCD, il dispositivo equipaggiato con connettore Type-C. Il sistema può operare nelle modalità SPR (Standard Power Range) ed EPR (Extended Power Range), quest’ultima capace di estendere la potenza fino a 240 W. Un grafico mette in relazione tensione negoziata, corrente massima e potenza erogabile, mostrando i profili tipici a 5, 9, 15 e 20 V.
Viene analizzata nel dettaglio la struttura del connettore USB Type-C, evidenziando il ruolo delle linee VBUS, GND, D+/D- e soprattutto delle linee CC1 e CC2. Le linee CC servono a rilevare l’inserzione del cavo, il verso di collegamento, a configurare VBUS in assenza di Power Delivery, a negoziare tensione e corrente quando il PD è disponibile, a gestire VCONN per i cavi attivi e le modalità alternative. Tabelle e schemi illustrano le combinazioni di resistenze pull-up e pull-down lato source e sink, la presenza della resistenza Ra nel cavo con E-Marker e le possibili configurazioni di orientamento.
Per la realizzazione pratica viene scelto il controller Diodes AP33771CFBZ, un USB Type-C PD 3.1 sink controller che supporta modalità SPR/PPS fino a 21 V ed EPR/AVS fino a 28 V. In questa applicazione l’integrato è utilizzato senza microcontrollore esterno grazie ai pin VSEL e ISEL: tramite opportune resistenze è possibile selezionare direttamente tensione e corrente da negoziare. Una tabella riporta i valori di resistenza per i vari profili (da 5 a 28 V e da 1 a 5 A) e il meccanismo di abbinamento con i PDO messi a disposizione dalla sorgente.
L’AP33771CFBZ integra protezioni OVP, UVP, OCP e OTP, gestisce la negoziazione tramite le linee CC1/CC2, offre un’uscita a 5 V tramite LDO interno e mette a disposizione una segnalazione a LED degli stati operativi: inizializzazione, carica in corso, negoziazione riuscita, mismatch, umidità e fault. È prevista inoltre la compensazione automatica della caduta di tensione sul cavo, con logica differenziata per PDO fissi e PPS.
Per sfruttare il controller è stata sviluppata una Breakout Board compatta (FT1769), basata su connettore USB Type-C Wurth 629722000214, ferriti di filtro su VBUS e GND, protezione ESD sulle linee D+/D-, resistenze da 5,1 kΩ su CC1/CC2 e un doppio MOSFET N back-to-back SQJB60EP-T1_GE3 per la commutazione della potenza. La scheda espone i pin VSEL, ISEL, VOUT e segnalazioni LED, lasciando all’utilizzatore la scelta delle resistenze di impostazione.
Per il collaudo è stata progettata una Test Board dedicata, che ospita la Breakout FT1769, due DIP-switch a 8 vie per selezionare tensione e corrente tramite una rete di resistenze di precisione, una morsettiera per la VOUT negoziata e un connettore USB Type-A alimentato da regolatore lineare TPS7B8650 per fornire i 5 V a una periferica. La topologia PCB e le dimensioni contenute rendono il sistema compatto, ma nei test è emerso che il limite pratico è 20 V a 4 A (80 W), mentre per sfruttare appieno i 5 A previsti dal Power Delivery sarebbero necessari MOSFET separati e una Breakout Board più ampia.
Le misure effettuate con alimentatore Power Delivery da 100 W e carico elettronico programmabile hanno coperto i profili a 5, 9, 12, 15 e 20 V, evidenziando le soglie di intervento delle protezioni e le cadute di tensione sul percorso dal connettore USB-C a VOUT, fino a circa 445 mV alle correnti più elevate. L’articolo fornisce così un riferimento completo per chi desidera integrare l’alimentazione USB Type-C Power Delivery in progetti di laboratorio e prototipi.
