Come implementare USB Type-C con funzionalità PD

6th November 2018
Posted By : Alex Lynn
Come implementare USB Type-C con funzionalità PD

Nel settore automobilistico, l'introduzione del concetto di "infotainment" (ovvero informazione + intrattenimento) ha rappresentato una svolta di notevole entità per i produttori di auto, in quanto la sua implementazione richiedeva una più sinergica integrazione tra sistemi funzionali e non funzionali dei veicoli. 

Di Peter Chadbourne, Business Unit Manager, ON Semiconductor

L'avvento dei sistemi di infotainment ha comportato la creazione di una nuova interfaccia con il guidatore e la sua influenza sulle modalità con cui l'utente interagisce con la tecnologia è del tutto paragonabile a quella del'introduzione dei telefoni cellulari.

I tradizionali sistemi audio con profilo standard e aggiornabili dall'utilizzatore - che erano in larga misura sistemi autonomi - sono stati pian piano sostituiti da sistemi già installati dal costruttore più ricchi di funzionalità. Questi si sono rapidamente evoluti con l'inclusione della navigazione e, con il trascorrere del tempo, hanno "preso il controllo" di altri sistemi presenti a bordo dei veicoli, come ad esempio la climatizzazione. 

Le funzionalità di sicurezza, antesignane dei moderni sistemi ADAS, come ad esempio le telecamere di retromarcia, fanno anch'esse parte del centro di infotainment e nello stesso arco di tempo questi sistemi hanno ampliato il loro raggio d'azione per consentire ai telefoni cellulari di svolgere un ruolo di primo piano, aumentando ulteriormente la gamma, peraltro in continua espansione, di funzioni presenti a bordo auto.

Grazie soprattutto all'interfaccia USB (anche se non bisogna dimenticare l'importanza del ruolo di Bluetooth in questo contesto) ora risulta particolarmente semplice collegare il telefono all'auto, accedere ai vari media, alle informazioni di contatto o più semplicemente effettuare una chiamata. Quando si opta per una connessione cablata attraverso USB si può sfruttare il fatto che la batteria del cellulare viene ricaricata quando l'auto è in movimento.

Un vantaggio di questo tipo non deve essere assolutamene sottovalutato se si considera che, in caso di impiego continuo, per numerosi smartphone una singola carica non dura neanche per un'intera giornata. Gli automobilisti, dal canto loro si aspettano che l'evoluzione dei veicoli sia in linea con quella dell'interfaccia USB, dimenticando che i progressi dell'industria automoblistica non sono così rapidi come quelli che caratterizzano il mondo consumer. 

L'introduzione di USB Type-C, un connettore di nuova concezione, è destinata ad avere un impatto significativo sulle modalità con cui i produttori automobilistici affrontano un problema molto sentito.

Non possono ignorare che l'importanza del connettore sta cambiando. Poichè il ciclo di aggiornamento dei cellulari è senza dubbio più rapido di quello dei veicoli, i consumatori saranno disposti ad accettare qualche ritardo, ma nel momento di decidere l'acquisto di una nuova vettura, il supporto per la più recente interfaccia USB sarà compreso nella "lista dei desideri" anche in considerazione del fatto che quest'ultima sarà in grado di ricaricare una gamma più ampia di dispositivi.

Non solo più cellulari, ma anche laptop, videocamere, tablet e altri prodotti che richiedono livelli di potenza più elevati potrebbero essere verosimilmente alimentati e caricati mediante USB Type-C.

BMC: l'elemento chiave

La tecnologia che consente a un collegamento USB di erogare o assorbire una potenza fino a 100 W è prevista all'interno della normativa PD (Power Delivery) delle specifiche. Essa richiede un alimentatore in grado di fornire quel livello di potenza ma, oltre a ciò, prevede un controllore USB in grado di interpretare i requisiti di un dispositivo connesso. Sebbene l'erogazione di potenza abbia sempre avuto un ruolo importante nell'ambito delle specifiche USB, i maggiori livelli di potenza ora disponibili si possono ottenere in modo più semplice utilizzando un connettore Type-C e un cavo conforme a USB 3.x.

Poichè la connessione Type-C è di tipo reversibile, risulta più pratica per gli utilizzatori a scapito di un maggior livello di complessità per gli sviluppatori. L'orientamento è gestito dal nuovo Configuration Channel (CC) che prevede due pin dedicati sul connettore e consente ai dispositivi connessi di negoziare la quantità di potenza da erogare o assorbire.

Il protocollo utilizzato su questo canale è una forma di codifica Manchester differenziale denominata BMC (Biphase Mark Code). L'USB Implementer Forum ha definito cinque profili di erogazione di potenza: 10, 18, 36, 60 e 100 W. Utilizzando il protocollo BMC, i profili di potenza possono essere scambiati tra du dispositivi sfruttando un'interfaccia USB Type-C.

Lo schema di codifica utilizza transizioni per indicare i livelli logici al posto di livelli assoluti e integra il proprio segnale di clock per semplificare la sincronizzazione. In ogni caso il protocollo BMC sfrutta un'interfaccia fisica in grado di decodificare il segnale in maniera affidabile in ambienti particolarmente "difficili" dal punto di vista elettrico. Non bisogna a questo punto dimenticare che sotto l'aspetto elettrico un veicolo risulta un ambiente estrememante severo.

L'aggiunta di un connettore Type-C a un'autovettura

Il dispositivo FUSB302B di ON Semiconductor è un controllore USB Type-C programmabile conforme alle specifiche AEC-Q100 con funzionalità di Power Delivery che integra un client BMC per il canale di configurazione con completo supporto della specifica Type-C PD 2.0 versione 1.1. Ciò significa che il canale CC può essere utilizzato per rilevare quando un dispositivo è connesso o sconnesso, la capacità di corrente di un host o un dispositivo e per verificare la presenza di un cavo attivo, oltre a selezionare la modalità richiesta (ad esempio audio adapter o debug accessory mode). Lo schema a blocchi di una tipica applicazione è riportato in figura 1.

Figura 1 - Schema a blocchi di una tipica applicazione

In questa figura è visibile l'interfaccia I2C tra il controllore e il processore host che indica che il dispositivo FUSB302B non integra un proprio processore. Si tratta di un caratteristica molto importante di questo prodotto: se da un lato permette di evitare i consumi originati dalla presenza di un processore, dall'altro consente al firmware di essere ospitato in un processore posizionato in un'altra parte del sistema, semplificando in tal modo il processo di aggiornamento da parte dei costruttori nel momento in cui le specifiche USB subiscono una revisione. Uno schema più dettagliato di un'applicazione è riportato in figura 2. Il dispositivo FUSB302T, una versione di FUSB302B, può essere utilizzato come parte di un sistema completo per l'implementazione di USB Type-C in un'applicazione automotive.

Figura 2 - Questo esempio applicativo mostra una doppia porta USB in grado di supportare una potenza di 100 W

FUSB302B implementa le funzionalità di commutatore CC che gli consentono di rilevare la modalità di collegamento - host, dispositivo o DRP (Dual Role Port) - che sono gestite tramite un certo numero di comparatori e un DAC programmabile controllato mediante software che gira sul processore host (Fig. 3).

Figura 3 - Funzionalità di commutazione del canale di configurazione (CC - Configuration Channel)

Grazie all'implementazione di un thin client BMC che include l'interfaccia fisica (PHY) di BMC e buffer FIFO per i pacchetti, il processore host è in grado di inviare e ricevere pacchetti utilizzando l'interfaccia I2C. Ciò significa che tutte le caratteristiche di USB PD BMC sono accessibili tramite software, mediante operazioni di lettura e scrittura delle FIFO di FUSB302B utilizzando i token (gettoni).

Questi token sono flessibili e supportano tutte le caratteristiche della specifica USB PD, compresa l'elaborazione veloce dei pacchetti mediante la scrittura in modalità burst (a raffica) nella FIFO. Ciascun pacchetto valido ricevuto attraverso il canale CC è memorizzata nella FIFO e il ricevitore BMC rileva l'attività e abilita l'oscillatore interno. Una volta rilevata l'attività, vengono utilizzati interrupt dedicati per avvertire il processore host che è stato ricevuto un pacchetto valido. Nella figura 4 è riportato lo schema dei blocchi USB PD BMC.

Figura 4 - Blocchi che implementano USB PD BMC

Una soluzione a lungo termine grazie alla flessibilità

La disponibilità di un controllore USB quasi interamente definito via software attraverso il firmware che gira su un processore host permette ai produttori operanti nel settore automotive di disporre di una soluzione sul lungo termine per implementare la funzionalità USB PD su un connettore Type-C già conforme agli standard attuali (USB Power Delivery revisione 3.0 versione 1.1) in grado di garantire la flessibilità necessaria per supportare le future revisioni della specifica attraverso un semplice aggiornamento del firmware del processore host.

Il progetto di FUSB302B è stato ottimizzato in modo da abbinare elevate prestazioni e bassi consumi grazie alla configurazione tramite software. La scelta di un formato configurabile via software consente da un lato di eliminare il ricorso a un ulteriore processore embedded che consuma risorse e dall'altro di aumentare il grado di flessibilità grazie alla possibilità di definire le funzionalità mediante un processore host. I produttori operanti nel settore automotive possono quindi implementare la funzionalità USB PD su connettori Type A/D e, più recentemente, Type-C senza sostituire il controllore USB.


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