Cómo el USB Type-C puede reducir la confusión del adaptador de alimentación del consumidor y reducir la basura electrónica global

La industria de la electrónica de consumo sufre un gigantesco problema de residuos electrónicos. El último informe Global E-Waste Monitor sugiere que cada año se producen alrededor de 1 millón de toneladas de adaptadores de corriente. Estos cargadores se envían con dispositivos portátiles de consumo, como computadoras portátiles, tabletas, teléfonos móviles, cámaras, parlantes inteligentes, herramientas eléctricas y muchos otros tipos de productos.

Funcionalmente, estos adaptadores son notablemente similares. Son capaces de operar en un rango de voltaje de entrada de red de 85 V a 264 V _ac para usar en cualquier parte del mundo. Además, para la mayoría de los dispositivos, su potencia nominal de salida es inferior a 100 W. Sin embargo, es raro que los fabricantes de hoy permitan utilizar el adaptador de un dispositivo para alimentar un producto diferente. De hecho, la industria ha logrado crear una asombrosa variedad de versiones cosméticamente similares pero funcionalmente incompatibles del conector de alimentación de barril básico (consulte la Figura 1).

Figura 1:Se utiliza una amplia gama de conectores de barril en adaptadores de corriente y cargadores de batería. (Fuente:Cypress)

Esto crea confusión para el consumidor, que tiene dificultades para distinguir un tipo de conector cilíndrico de otro. Cuando el adaptador de corriente de un dispositivo se pierde o se daña, la compra de un repuesto requiere una verificación meticulosa de que la pieza de repuesto sea compatible con el dispositivo para el que se necesita. Y cada vez que el usuario necesite o quiera reemplazar un dispositivo electrónico, se desechará el cargador, lo que aumentará la acumulación mundial de desechos electrónicos.

Idealmente, los consumidores podrían utilizar el mismo adaptador de corriente y conector en varios dispositivos. Un conector universal de este tipo mejoraría la experiencia del usuario y ahorraría a los fabricantes los costos en los que incurren actualmente para producir y enviar adaptadores con cada producto que fabrican.

No es necesario que un nuevo consorcio industrial elabore una respuesta coordinada, ya que dicho conector ya existe, es fácil de implementar y está fácilmente disponible:el conector USB Tipo-C. Esta interfaz es compatible con el último protocolo USB Power Delivery (PD), un estándar de la industria para proporcionar un máximo de 100 W (hasta 20 V a hasta 5 A) a un dispositivo que consume energía.

Funciones de USB Type-C fáciles de usar

USB, el bus serie universal, es una tecnología de interfaz que proporciona protocolos para la comunicación de datos y la entrega de energía. La organización que establece el estándar USB, el Foro de Implementadores de USB (USB-IF), describe rigurosas especificaciones de prueba que se utilizan para validar la conformidad de los dispositivos USB con el estándar. También hace cumplir estrictamente los requisitos de interoperabilidad para dispositivos etiquetados como certificados por USB.

El resultado es que, a través de la experiencia, los consumidores comprenden que la presencia de un logotipo USB en un conector o cable indica que es compatible con cualquier otra unidad que lleve un logotipo USB. Además, el conector USB tipo C y el cable en sí no podrían ser más amigables para el consumidor, ya que es reversible y direccionalmente agnóstico.

Para los consumidores, no es necesario adquirir nuevos aprendizajes o hábitos antes de adoptar el cargador USB tipo C como fuente de alimentación universal para dispositivos que funcionan con baterías. Esto incluye computadoras portátiles y teléfonos inteligentes, así como dispositivos que no envían ni reciben datos, como parlantes inteligentes, afeitadoras y herramientas eléctricas, etc. Los cargadores USB tipo C ya se adquieren fácilmente en la actualidad:más de 500 USB tipo C de terceros Los adaptadores, cargadores y baterías externas de varios fabricantes están disponibles para comprar en línea o en tiendas de todo el mundo.

Al utilizar USB Type-C como conector de alimentación universal en lugar de un conector de barril patentado, el fabricante de un dispositivo reduce su contribución al problema de los desechos electrónicos. Los OEM también pueden optar por ahorrar los costos de producción y envío incurridos al empaquetar un adaptador de corriente con su producto. Los fabricantes de auriculares Bluetooth, cámaras de acción y otros dispositivos similares ya han dado el paso de no enviar un cargador de forma predeterminada con sus nuevos productos.

En la actualidad, cientos de modelos de computadoras portátiles y teléfonos móviles de marcas como HP, Dell Apple, Lenovo, Acer, Asus, Huawei y Samsung cuentan con una interfaz de fuente de alimentación USB tipo C y un cargador. La penetración de las fuentes de alimentación USB tipo C en computadoras portátiles y teléfonos móviles alcanzará el 100% en un futuro próximo.

La forma más rápida de implementar un nuevo diseño de disipador de energía USB tipo C

La tecnología USB que sustenta un cargador de batería universal está lista para su implementación hoy. El estándar USB logra la interoperabilidad a través de la comunicación entre el "host", como un cargador, y el "dispositivo alimentado".

La comunicación bajo el protocolo USB-PD permite que un dispositivo alimentado:

• detecta un cargador cuando se conecta a través de un cable USB tipo C
• descubra los perfiles de energía, que especifican parámetros que incluyen el voltaje y la corriente máximos suministrados al dispositivo con alimentación, que admite el cargador
• especificar el perfil que requiere el dispositivo de los perfiles de energía admitidos por el cargador

Debido a que la tecnología USB incorpora comunicaciones de datos, así como un protocolo de suministro de energía, los comercializadores y desarrolladores de productos podrían estar preocupados de que la implementación del diseño sea más difícil, compleja y larga que el circuito de suministro de energía simple, no configurable y sin señalización de un conector de barril. . De hecho, un diseño de prueba de concepto para un sistema de entrada de energía USB PD 3.0 a través de un receptáculo USB tipo C se puede completar en cuestión de minutos. La implementación de un diseño de producción también es muy simple, requiere pocos componentes y no requiere desarrollo de firmware.

La ruta más rápida hacia un diseño de prueba de concepto para una entrada de alimentación USB tipo C es utilizar un kit de desarrollo que tenga un controlador, transceptor y firmware de protocolo USB PD 3.0 integrados. Por ejemplo, el kit de reemplazo del conector cilíndrico (BCR) Cypress Semiconductor CY4533 EZ-PD ™ basado en el chip EZ-PD CYPD3177 BCR es una placa pequeña del tamaño de una tarjeta de crédito que incluye un receptáculo USB tipo C, el EZ-PD BCR chip, una pequeña cantidad de componentes simples necesarios para configurar la corriente y el voltaje de entrada. El kit permite a un desarrollador de productos crear rápidamente un prototipo de una entrada de alimentación USB tipo C para su diseño, reemplazando el conector de barril.

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Figura 2:Creación de una entrada de alimentación USB Type-C universal para un altavoz inteligente utilizando el kit EZ-PD BCR de Cypress Semiconductor. (Fuente:Cypress)

La Figura 2 muestra cómo se podría usar el kit para diseñar un prototipo de una entrada de alimentación USB tipo C para reemplazar la entrada de alimentación del conector de barril existente a un altavoz inteligente. Primero, el desarrollador comienza seleccionando cualquier cargador USB tipo C que admita el perfil de energía requerido. El estándar USB PD 3.0 especifica opciones de voltaje de salida de 5 V, 9 V, 12 V, 15 V y 20 V y corriente de salida de hasta 5 A. Un altavoz inteligente requiere una entrada de 15 V a 2 A.

En segundo lugar, suministre al altavoz la entrada de energía correcta seleccionando un perfil de energía preconfigurado. Con un kit de desarrollo, esto se hace girando un interruptor giratorio. Por último, fije los cables del conector cilíndrico del altavoz al bloque de terminales del kit, enchufe el conector cilíndrico en el altavoz y enciéndalo para comprobar que funciona correctamente.

En este sistema prototipo, el controlador USB realiza todas las funciones de suministro de energía USB. Esto incluye administrar la comunicación entre el disipador de energía y el cargador, así como encender y apagar el interruptor de carga para iniciar / detener el suministro al disipador de energía. El controlador también protege el disipador de energía contra daños causados ​​por cortocircuitos, sobretensión o condiciones de baja tensión y proporciona protección ESD a nivel del sistema de hasta 15 kV. Como los controladores USB vienen completos con el firmware del protocolo USB PD 3.0, no hay ningún requisito de desarrollo de software para reemplazar el conector cilíndrico.

Una vez que la prueba del prototipo ha verificado el funcionamiento correcto del reemplazo del conector de barril USB Tipo-C, los desarrolladores deben convertir el prototipo en un diseño de producción. Como los controladores USB actuales son dispositivos altamente integrados, este es un proceso relativamente sencillo. La Figura 3 muestra un circuito completo para la entrega de energía USB Tipo-C que requiere menos de diez componentes externos.

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Figura 3:Un circuito de aplicación típico para un reemplazo de conector cilíndrico USB Tipo-C basado en el controlador de suministro de energía CYPD3177. (Fuente:Cypress)

Estos componentes son:

• El receptáculo USB Type-C. Como se trata de una pieza estándar, el costo del receptáculo es bajo. Continuará bajando de precio gracias a las economías de escala creadas por la adopción de la interfaz USB Tipo-C en productos de gran volumen como computadoras portátiles y teléfonos móviles.
• El controlador USB, que se conecta al controlador de host del dispositivo (si lo desea, pero no es necesario) a través de I ² Interfaz C.
• Redes de divisores de resistencias para seleccionar el voltaje de salida deseado y los valores de corriente.

Los valores de las resistencias se proporcionan en tablas en la hoja de datos del controlador USB. Debido a las pequeñas dimensiones del receptáculo USB tipo C, de solo 2,4 mm de altura, el espacio ocupado por el circuito de alimentación completo es comparable al de la fuente de alimentación del conector cilíndrico que reemplaza.

Verde y conveniente

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Los beneficios ambientales, comerciales y para el consumidor de reemplazar la gran cantidad de tipos de conectores de barril con un cargador universal para dispositivos con batería de <100 W son enormes:

• Reducción de desechos electrónicos
• Uso reducido de materiales para la fabricación de cargadores de un solo uso
• Número reducido de unidades de almacenamiento de cargadores para los fabricantes de equipos originales que envían un cargador diferente con cada producto
• Un solo cargador para todos los dispositivos que posee un consumidor
• Fácil sustitución de cargadores defectuosos o extraviados

Para obtener más información, consulte:

• Informe Global E-Waste Monitor
• Foro de implementadores de USB (USB-IF)
• Cypress CY4533 EZ-PD BCR Evaluation Kit