Spesso ci si può ritrovare nella situazione di dover sostituire un vecchio alimentatore. Nell’etichetta degli alimentatori dei vari dispositivi a basso voltaggio sono riportati diversi dati relativi alle loro caratteristiche. Di solito sono segnate le caratteristiche della corrente in entrata e della corrente in uscita, Volt e Ampere, o Watt.
Spesso alcune delle grandezza in uscita non sono riportate. Indica 5 Volt e 3 Ampere. Gli ampere a volte sono segnati come milliAmpere (mAh). Sono sempre ampere, per esempio 500 mAh corrispondono a 0,5 Ampere.
Cosa si può collegare?
Il dispositivo da collegare dovrà essere a 5 Volt e qui non si scappa. Di solito c’è un po’ di tolleranza, per esempio 5 Volt o 4,5 Volt spesso sono equivalenti. Per quanto riguarda il voltaggio in uscita ci deve essere la corrispondenza esatta, il nuovo alimentatore deve avere un Amperaggio uguale o superiore a quello del vecchio alimentatore.
La convergenza introdotta dall’interfaccia USB non riguarda solo la trasmissione dei dati. Già nel 2007, ben prima dell’avvento della 3.0, il comitato USB IF aveva introdotto una specifica direttiva che prevedeva l’affiancamento delle tradizionali porte USB 2.0 a porte USB per l’alimentazione e la ricarica di dispositivi con correnti superiori a 100 mA.
Le porte definite dallo standard erano:
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- Charging Downstream Port (CDP): permetteva anche il transito dei dati alla velocità tipica della porta USB 2.0 e doveva erogare 900 mA, con una tensione di 5 V.
- Dedicated Charging Port (DCP): senza transito dati, erogava fino a 1,5 A con una caduta di tensione max di 1,4 V a 5 V.
Lo strada aperta da questa direttiva mostrava chiaramente fin da allora che l’intento dei costruttori, asiatici in prima linea, era quello di convergere sull’impiego di un’unica interfaccia in grado sia di trasferire i dati che di alimentare i dispositivi.
USB Power Delivery (USB PD)
Per questo motivo, nel luglio del 2012, l’USB IF ha emanato la nuova direttiva USB Power Delivery (USB PD). Questa direttiva è straordinariamente innovativa, poiché presenta 5 possibili profili di impiego delle porte, siano esse USB 3.1 oppure USB tipo C, fornendo un massimo di 100 W di potenza al dispositivo collegato, in quanto sono capaci di erogare fino a 5 A su una tensione di 20 Vc.c.
La direttiva USB PD si applica a tutte le componenti di un sistema che sia interconnesso tramite USB, quindi a host, device, hub, cavi e connettori, ed apre la strada a scenari completamente diversi dai precedenti.
Negoziazione di Voltaggio e Corrente
Nella descrizione della fase preliminare e della negoziazione vera e propria, per rendere più comprensibile il processo opereremo alcune necessarie semplificazioni. Due porte USB PD collegate tra loro, negoziano il voltaggio, l’intensità di corrente e la direzione della fornitura di potenza attraverso il contatto Vbus (USB type C, USB 3.1 type A e type B) oppure il contatto CC (solo nel caso dell’USB type C).
I dati scambiati tra le due porte USB per la negoziazione, che transitano sul Vbus, sono modulati secondo lo schema BFSK (Binary Frequency Shift Keyed), nel quale una portante di frequenza fCarrier e di ampiezza v TX vien modulata sottraendo o sommando una frequenza determinata (fDeviation). Questa modulazione risulta essere molto ‘robusta’ e virtualmente insensibile ai disturbi causati dalla presenza dell’alimentazione sullo stesso conduttore.
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Lo stato logico 0 è indicato dalla frequenza risultante da fCarrier - fDeviation. Lo stato logico 1 dalla frequenza, invece, da fCarrier + fDeviation.
Invece, quando questi dati transitano sul contatto CC, essi sono modulati in corrente continua secondo la codifica BMC (Biphase Mark Coding), una variante della codifica Manchester.
La negoziazione tra due porte USB PD risulta essere composta da una serie di messaggi scambiati, volti a definire quali siano i profili energetici da attivare. Ogni messaggio inizia con un pacchetto chiamato SOP (Start of Packet), seguito da un pacchetto di comunicazione vero e proprio (Payload), da un pacchetto di controllo (CRC) e da un pacchetto EOF (End of Packet).
Ogni negoziazione porta alla ‘stipula di un contratto’ tra le porte, senza il quale non viene autorizzato alcun trasferimento di potenza.
Tipi di Contratti USB PD
In realtà, esistono due tipi di contratti:
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- Contratto implicito: Un’intesa tra le porte per cui viene settato il voltaggio (5 V, chiamato anche vSafe5V) e la corrente massima caratteristica della porta stessa. Questo contratto ‘preliminare’, viene adottato durante la prima negoziazione (ovvero appena si connettono le porte), oppure quando quando viene collegato a una porta PD un dispositivo a basso consumo energetico, tipo un dispositivo delle generazioni USB precedenti.
- Contratto esplicito: In seguito ad uno scambio di messaggi viene settato il voltaggio, la corrente e il verso di trasmissione dell’energia.
Prima del perfezionamento del contratto esplicito alla connessione tra due porte, oppure quando avviene una richiesta di cambio della direzione del flusso energetico, la porta che fornisce energia deve essere in grado di ‘investigare’ anche le caratteristiche del cavo di collegamento.
Ciò è particolarmente importante per il cavo USB type C che deve essere contraddistinto da una specifica indicazione (marcatura elettronica) della capacità di sopportare la corrente di 5 A (infatti, secondo le specifiche, la corrente massima che dovrebbe transitare in un cavo type C è di 3 A).
Questa indagine avviene tramite l’invio di pacchetti di dati diversi dai precedenti, denominati SOP’, da parte della porta che fornisce energia durante la fase del contratto implicito: tali pacchetti SOP’ sono inviati verso un chip identificativo contenuto in uno dei connettori sul cavo.
Funzionamento di una porta Sink
Per una porta Sink, un contratto esplicito è perfezionato e sussiste quando:
Durante la fase iniziale:
- La porta Sink invia un messaggio di tipo Request: se il messaggio è ammissibile, subito dopo riceverà un messaggio di tipo Accept, seguito da un PS_RDY, quando la porta Source sarà pronta ad erogare energia alla potenza richiesta.
Durante la fase di Power Delivering:
- Processa e risponde appropriatamente a tutti messaggi ricevuti;
- Invia un messaggio Request se la sua richiesta energetica varia.
Evoluzione dell'USB
Universal Serial Bus, meglio noto come USB, soprattutto agli utenti finali, è un bus di comunicazione seriale molto semplice e oramai tanto diffuso da essere presente praticamente in qualsiasi apparato elettronico che necessita di una connettività cablata ed anche di veicolare l’alimentazione necessaria al funzionamento e alla ricarica delle eventuali batterie.
Prima di tracciare la cronistoria dell’USB è opportuno un rapido richiamo all’aspetto puramente elettronico del bus, il quale è composto da due linee, chiamate D+ e D-, che costituiscono il canale dati bidirezionale; la connessione riporta anche l’alimentazione a 5Vcc, che serve per alimentare i Device con il dispositivo Host, secondo le specifiche del protocollo.
Il connettore di base ha dunque 4 poli (questo vale per l’USB A e il B) ma nell’evoluzione USB 3 ne conta 8, giacché trasporta due canali dati invece di uno (allo scopo di accrescere la velocità di comunicazione) e il doppio della corrente.
Per inciso, Host e Device sono le due modalità previste dall’USB, cioè i due modi in cui un dispositivo USB può funzionare: Host è l’unità master, ossia quella che governa la comunicazione, mentre Device è il dispositivo puro e semplice, ossia una periferica, che viene gestita dall’Host, il quale avvia la comunicazione con essa.
Quando nacque, l’USB aveva la connessione standard a quattro linee rimasta fino alla revisione 2 e forniva una velocità di comunicazione relativamente bassa, che non superava i 40 Mbps: ci riferiamo alla versione 1.0, che peraltro non fu mai utilizzata realmente, perché rimase in laboratorio fino allo sviluppo della USB 1.1, prima implementazione su apparati reali, capace di un data-rate di 60 Mbps, corrispondenti a circa 8 MB/s, che possono spingersi fino a 12 Mbps.
Altra caratteristica dell’USB 2.x è che nelle connessioni con connettore microUSB e relativo cablaggio supporta la modalità OTG, ossia USB On The Go: questo significa che portando a massa un pin del connettore microUSB, che ha 5 poli invece dei classici quattro, il dispositivo mobile che dispone della porta (tipicamente un tablet o uno smartphone) può comportarsi come Host invece che da Device, quindi gestire dei dispositivi di memoria di massa come le Pen Drive USB.
Venne poi l’USB 3, capace, anche grazie al raddoppio dei canali dati, di raggiungere velocità di comunicazione decuplicate, ossia 4,8 Gbps (corrispondenti a 600 MB/s) utilizzando due coppie intrecciate ad alta velocità; con questa tecnica e il data-rate teorico, la specifica ritiene ragionevole ottenere almeno 3,2 Gbit/s al netto dell’overhead di protocollo (corrispondenti a 400 MB/s).
USB Type-C
Con lo standard USB C è stato introdotto il nuovo connettore Tipo C che, oltre ad essere reversibile (come quelli della Apple, per intendersi….) è il primo a supportare i profili a 12 V e 20 V, ma nonostante ciò rimane polarizzato, tramite due serie di pin (A e B); quindi sul lato dell’alimentazione il connettore tipo C introduce due nuovi pin VBUS a 12 V e 20 V.
Il nuovo connettore tipo C prevede due gruppi di 12 pin (12 sopra, 12 sotto) per permettere la reversibilità ma rimanere polarizzato. Oltre a questo prevede i pin dell’USB 2.0 e il supporto all’OTG (On The Go USB) ed MHL; la connettività MHL consente l’interfacciamento alle porte HDMI mediante i due fili MHL+ e MHL- che si attestano ai contatti 2 (D-) e 3 (D+), utilizzando il pin 4 come CBUS collegato all’omonimo della presa HDMI.
Come mostra la Fig. 6, oltre ai classici D+ (Dp) e D- (Dn) sdoppiati e disposti in modo che qualunque sia il verso d’inserzione del connettore combacino con la presa sul dispositivo, troviamo due linee ad altissima velocità (SuperSpeed Lane 1 e 2), due contatti per l’utilizzo di altri protocolli (SBU 1 e 2), due linee di alimentazione a 5 volt, che servono una per l’alimentazione di piccoli device o “cavi attivi” contenenti, cioè, dell’elettronica, e l’altra per erogare corrente a dispositivi che richiedono potenze più elevate di quanto le USB standard non consentano.
Negli “Alternate Modes” la comunicazione è negoziata utilizzando l’USB PD one-wire serial protocol ed è abilitata mediante l’handshake di protocollo tramite messaggi strutturati definiti dal fornitore (VDM). Ciò si ottiene con un protocollo seriale “Power Delivery” 1-wire (non su USB).
Chiaramente il device dev’essere un USB C e deve poter essere in grado di accettare tali tensioni e convertirle internamente mediante un DC/DC; ciò viene stabilito, appunto, durante la negoziazione.
Hub USB
Vediamo adesso come è composto tipicamente un hub USB ed in particolare quello conforme USB 3-1, premettendo che al pari di tutti gli hub USB dall’1.1 in avanti serve a espandere una singola porta Universal Serial Bus in più connessioni così da collegare più device a un host e da alimentarle in parallelo.
La tipica struttura a blocchi dell’hub USB 3.1 è mostrata nella Fig. Esegue funzioni di sistema (send and receive data) verso le periferiche esterne senza bisogno di una MCU esterna.
Microchip fornisce due famiglie di controller, ossia la USB port upstream UFP - USB58xx (che include la USB5807) e la USB-C UFP - USB59xx.
Una soluzione sia per USB2.0 che USB3.1 è quella proposta da Microchip e consente di realizzare hub USB a 5+1 porte standard USB3.1 Gen 1.
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