USB-C encuentra un papel cada vez mayor en los wearables y los productos móviles

El consumo de energía es uno de los mayores desafíos para el sector de la tecnología móvil. Se suponía que USB-C era principalmente una opción de conectividad, pero cada vez está ganando más popularidad porque también es un medio útil para administrar la energía en dispositivos portátiles.

En este ecosistema móvil en constante evolución, los dispositivos se vuelven cada vez más inteligentes y potentes, lo que significa que todos requieren más energía para funcionar. Aunque los fabricantes se esfuerzan por reducir el consumo de batería, el problema común con los teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles, pulseras de fitness, tabletas y computadoras portátiles es el alto consumo de energía después de un par de horas de uso a plena capacidad, lo que requiere una sesión con fuente de alimentación para recargar la batería. . Por lo tanto, uno de los muchos desafíos para los diseñadores es evaluar el factor de energía, estimar la energía necesaria y diseñar una configuración de administración de energía muy eficiente.

En el diseño de un sistema de carga inalámbrico, un parámetro fundamental está representado por la cantidad de energía de carga necesaria para reponer la batería. La potencia recibida depende de innumerables factores, incluido el nivel de potencia transmitida, la distancia y la alineación entre el devanado transmisor y el receptor, definido de otro modo como "acoplamiento" y, finalmente, la tolerancia de los componentes del transmisor y de El receptor. Nadie tiene tiempo para esperar a que se recargue una batería:cuanto menor sea el tiempo de recarga de la batería, mejor será la experiencia del usuario. Esto se comprende bien en el mercado de la electrónica de consumo y todas las principales marcas están tratando de reducir los tiempos de carga.

Los dispositivos con un puerto USB-C se recargan rápidamente y ofrecen velocidades de transferencia ultrarrápidas para la conexión a periféricos y dispositivos externos. USB-C también admite salida de audio y video y es compatible con pantallas HDMI, VGA y DisplayPort. USB-C está en camino de convertirse en el estándar de la industria para los fabricantes de todo tipo de dispositivos.

Pero mientras que USB-C simplifica las cosas para los usuarios finales, aumenta la complejidad desde el punto de vista del diseño y la ingeniería. Existen importantes desafíos de diseño y prueba que los diseñadores deben enfrentar con la creación de un conector de alimentación USB tipo C que permite la compatibilidad y el uso reversible con todos los demás tipos. El puerto USB ha evolucionado desde su uso inicial principalmente como interfaz de datos, convirtiéndose posteriormente en el principal medio de carga de dispositivos electrónicos portátiles.

Figura 1:SM58IP04 de un solo chip

Silicon Mitus tiene cuatro líneas de productos que se dirigen al mercado de dispositivos móviles y electrónica de consumo, al mercado de pantallas LCD y OLED y al mercado de accesorios de carga. Las principales aplicaciones son los circuitos integrados de administración de energía (PMIC) para aplicaciones de teléfonos inteligentes como IF PMIC / administración de batería con carga rápida, soluciones completas de USB tipo C y cargadores inalámbricos; Soluciones PMIC para pantallas LCD y OLED para teléfonos inteligentes, monitores y televisores grandes; Productos de audio para amplificadores de clase D potenciados, códec de audio de alto rendimiento y sonido de superficie para pantallas planas; Soluciones PMIC para aplicaciones informáticas y cargadores de batería USB tipo C.

"Hemos enviado más de 3.500 millones de circuitos integrados en estos mercados hasta la fecha". dijo Youm Huh, director ejecutivo de Silicon Mitus, una empresa surcoreana con sede en Pangyo (Seúl) que se especializa en productos de circuitos integrados analógicos. “La automoción es otro mercado al que nos dirigimos con PMIC, así como productos de audio para módulos de visualización e información de entretenimiento para automoción. Silicon Mitus proporciona IC de administración de energía a los fabricantes de módulos de cámaras retrovisoras de la última generación de automóviles (reemplazando los espejos de vidrio) ”.

Silicon Mitus anunció recientemente el SM58IP04:un USB Type-C Narrow V _DC de un solo chip buck-boost (NVDC) para aplicaciones de batería 2S / 3S y 4S. Alcanza hasta un 95% de eficiencia mientras se carga la batería en modo buck o boost hasta 6 A gracias a la gestión térmica avanzada.

"Estamos extremadamente satisfechos con el rendimiento de SM58IP04:se ha adoptado rápidamente en aplicaciones informáticas en las que el producto ha sido muy eficaz para ofrecer un gran rendimiento, con un tamaño de solución de PCB pequeño y ahorro de costes", dijo Gianfranco Scherini, vicepresidente de la empresa. de desarrollo empresarial. "Este producto combina las características de un cargador de batería de varias celdas con la compatibilidad total con la especificación USB Type-C y PD".

El estándar USB Type-C satisface las necesidades del mercado en términos de suministro de energía y velocidad de datos, pero sobre todo, en términos de la cantidad cada vez mayor de dispositivos capaces de interconectarse. Es un conector reversible, lo que significa que no necesita saber la dirección de la conexión. El estándar USB Type-C se adapta para ser una conexión perfecta para accesorios y periféricos externos, pero también para alimentar computadoras portátiles y otros dispositivos. De hecho, el estándar USB Type-C Power Delivery (PD) admite corrientes de hasta 5 A y 20 V, lo que permite entregar hasta 100 vatios de potencia. Dados los niveles actuales, el estándar requiere protecciones adecuadas, sin las cuales podría dañar el dispositivo.

“Hemos demostrado que nuestra estrategia para impulsar la eficiencia de nuestro buck-boost y al mismo tiempo apuntar agresivamente al nivel más alto de integración era correcta. Los clientes realmente aprecian las ventajas de una solución simple y altamente eficiente que integra el soporte completo para la ruta de alimentación USB Tipo-C junto con un cargador de batería. Con el uso del SM58IP04, cada puerto USB tipo C se comporta exactamente igual y, por lo tanto, ofrece otro nivel de flexibilidad para el diseño del sistema cuando se intenta acomodar diferentes factores de forma con una plataforma común. Vimos el potencial en el USB Type-C con el lanzamiento de la especificación Power Delivery 3.0 y en una gran cantidad de nuevos modelos de uso, y esto es solo el comienzo. Pensemos en la capacidad de entregar hasta 100 vatios de potencia (5 amperios * 20 voltios) con la posibilidad de negociar los valores de los voltajes y la corriente en cualquier forma o forma necesaria ", dijo Scherini.

El principal obstáculo para implementar soluciones de ahorro energético radica en la gestión térmica. Los avances tecnológicos en el diseño han aumentado continuamente la necesidad de proteger los componentes contra la acumulación de calor. Para un fabricante de semiconductores, el empaque de silicio es un factor distintivo clave. Las especificaciones como la disipación térmica y los requisitos generales del sistema dependen en gran medida del embalaje.

“La gestión térmica juega un papel muy importante. A medida que los consumidores avanzan hacia computadoras portátiles más delgadas y sin ventilador, uno de los desafíos es mantener el sistema dentro de una temperatura agradable al tacto y dentro del rango de temperatura de funcionamiento del IC ”, dijo Huh.

Una de las condiciones críticas ocurre mientras el usuario conecta el sistema con la fuente de alimentación:para permitir que los usuarios recarguen un dispositivo en el menor tiempo posible, necesitamos bombear la mayor cantidad de energía posible a la batería a la vez. Por ejemplo, en aplicaciones de computadoras portátiles y Chromebook, es común que el cargador entregue entre 45 y 65 vatios de energía a la batería. Esto implica que con cada punto porcentual de pérdida de eficiencia, más de medio vatio se disipa localmente en un área muy pequeña de la placa de circuito impreso y genera calor aumentando la temperatura local.

Figura 2:diseño del circuito para el chip único SM58IP04

Por lo tanto, los requisitos de rendimiento del hardware dirigen la electrónica cada vez más hacia arquitecturas con alta eficiencia energética, para que puedan soportar más configuraciones y un control preciso para preservar las características de los dispositivos en un futuro próximo.

“SM58IP04 ayuda a resolver este problema al abordar tanto la alta eficiencia del buck-boost como la disipación térmica óptima con una tecnología de paquete que maximiza el flujo de calor a través de la PCB. Cuanto mayor es la eficiencia del cargador, menor es la cantidad de energía que se disipa dentro del gabinete del dispositivo, mejor se disipa el calor a través de la placa base y menor es la temperatura en el sistema ”, dijo Huh.

“Para apoyar el crecimiento de la investigación y el desarrollo, en 2017 abrimos un nuevo Centro de Diseño en Pavía, Italia, donde encontramos un grupo atractivo de diseñadores analógicos calificados. Estamos totalmente equipados para ofrecer la última generación de productos de cargadores de batería para que nuestros clientes puedan aprovechar al máximo las funciones USB Type-C en aplicaciones móviles y portátiles ”, dijo Huh.

“Es por eso que decidimos invertir en cargadores de batería USB tipo C para aplicaciones de laptops / Chromebook y divisores de tapa utilizados en aplicaciones móviles. El voltaje de salida del SM58IP04 se puede programar con una granularidad de 12,5 mV, totalmente compatible con el USB PD3.0 que requiere un paso mínimo de 20 mV. Con nuestro portafolio de productos, Silicon Mitus habilita nuevas arquitecturas para cargadores de batería que pueden evitar cualquier conversión de energía interna en el dispositivo, eliminando así la fuente principal de pérdidas de energía mientras mantiene el flujo de corriente en el cable dentro de 3A. Esto elimina la necesidad de cables más costosos, ya que arriba de 3A, el estándar USB requiere el uso de un cable con marcado electrónico más costoso ", agregó Huh.

Los dispositivos de administración de energía son cada vez más inteligentes y eficientes. La demanda de estos dispositivos está aumentando rápidamente debido a las características y la tecnología avanzadas. Se espera que el mercado mundial de PMIC se expanda a una tasa compuesta anual del 4,6% durante los próximos años y alcance los 56,48 mil millones de dólares en 2026.