Como o USB Type-C pode reduzir a confusão com o adaptador de energia do consumidor - e cortar o lixo eletrônico global

A indústria de eletrônicos de consumo sofre de um gigantesco problema de lixo eletrônico. O último relatório do Global E-waste Monitor sugere que cerca de 1 milhão de toneladas de adaptadores de energia são produzidos a cada ano. Esses carregadores são fornecidos com dispositivos de consumo portáteis, como laptops, tablets, telefones celulares, câmeras, alto-falantes inteligentes, ferramentas elétricas e muitos outros tipos de produtos.

Funcionalmente, esses adaptadores são muito semelhantes. Eles são capazes de operar em uma faixa de tensão de entrada de rede de 85 V a 264 V _ac para uso em qualquer lugar do mundo. Além disso, para a maioria dos dispositivos, sua potência nominal de saída é inferior a 100 W. No entanto, é raro que os fabricantes hoje tornem possível usar o adaptador de um dispositivo para alimentar um produto diferente. Na verdade, a indústria teve sucesso na criação de uma gama surpreendente de versões cosmeticamente semelhantes, mas funcionalmente incompatíveis, do conector de alimentação de cilindro básico (consulte a Figura 1).

Figura 1:Uma grande variedade de conectores cilíndricos está em uso em adaptadores de energia e carregadores de bateria. (Fonte:Cypress)

Isso cria confusão para o consumidor, que tem dificuldade em distinguir um tipo de conector cilíndrico de outro. Quando o adaptador de energia de um dispositivo é perdido ou danificado, a compra de um substituto requer uma verificação meticulosa se a peça de substituição é compatível com o dispositivo para o qual é necessária. E toda vez que o usuário precisar ou desejar substituir um dispositivo eletrônico, o carregador será descartado, aumentando o acúmulo mundial de lixo eletrônico.

Idealmente, os consumidores seriam capazes de usar o mesmo adaptador de energia e conector em vários dispositivos. Esse conector universal melhoraria a experiência do usuário, além de economizar aos fabricantes os custos que eles incorrem atualmente para produzir e enviar adaptadores com todos os produtos que fabricam.

Não há necessidade de um novo consórcio da indústria para elaborar uma resposta coordenada, uma vez que esse conector já existe, é fácil de implementar e está prontamente disponível:o conector USB Tipo-C. Essa interface é compatível com o protocolo USB Power Delivery (PD) mais recente, um padrão da indústria para fornecer no máximo 100 W (até 20 V em até 5 A) para um dispositivo que consome energia.

Recursos amigáveis ​​para o consumidor do USB Type-C

USB - o Universal Serial Bus - é uma tecnologia de interface que fornece protocolos para comunicação de dados e fornecimento de energia. A organização de definição de padrões USB - o USB Implementers Forum (USB-IF) - descreve especificações de teste rigorosas usadas para validar a conformidade dos dispositivos USB com o padrão. Ele também impõe estritamente os requisitos de interoperabilidade para dispositivos rotulados como certificados para USB.

O resultado é que, por meio da experiência, os consumidores entendem que a presença de um logotipo USB em um conector ou cabo indica que ele é compatível com qualquer outra unidade que carregue um logotipo USB. Além disso, o conector USB Type-C e o cabo em si não poderiam ser mais amigáveis ​​ao consumidor, pois são reversíveis e direcionalmente agnósticos.

Para os consumidores, nenhum novo aprendizado ou hábitos precisam ser adquiridos antes de adotar o carregador USB Tipo C como fonte de alimentação universal para dispositivos alimentados por bateria. Isso inclui laptops e smartphones, bem como dispositivos que não enviam e não recebem dados, como alto-falantes inteligentes, barbeadores e ferramentas elétricas, etc. Os carregadores USB Tipo C já são facilmente adquiridos hoje:mais de 500 USB Tipo C de terceiros adaptadores, carregadores e bancos de energia de vários fabricantes estão prontamente disponíveis para compra online ou em lojas em todo o mundo.

Ao usar o USB Type-C como conector de alimentação universal em vez de um conector cilíndrico proprietário, um fabricante de dispositivos reduz sua contribuição para o problema do lixo eletrônico. Os OEMs também podem optar por economizar os custos de produção e remessa incorridos ao empacotar um adaptador de energia com seu produto. Os fabricantes de fones de ouvido Bluetooth, câmeras de ação e outros dispositivos semelhantes já tomaram a decisão de não enviar um carregador por padrão com seus novos produtos.

Hoje, centenas de modelos de laptops e telefones celulares de marcas como HP, Dell Apple, Lenovo, Acer, Asus, Huawei e Samsung apresentam uma interface de fonte de alimentação USB Tipo C e carregador. A penetração das fontes de alimentação USB Tipo C em laptops e telefones celulares chegará a 100% em um futuro próximo.

A maneira mais rápida de implementar um novo design de dissipador de energia USB tipo C

A tecnologia USB que sustenta um carregador de bateria universal está pronta para implantação hoje. O padrão USB atinge a interoperabilidade por meio da comunicação entre o ‘host’ - como um carregador - e o ‘dispositivo alimentado’.

A comunicação sob o protocolo USB-PD permite que um dispositivo alimentado:

• detectar um carregador quando conectado por meio de um cabo USB tipo C
• descobrir os perfis de energia - que especificam parâmetros, incluindo tensão máxima e corrente fornecida ao dispositivo energizado - que o carregador suporta
• especifique o perfil que o dispositivo exige dos perfis de energia compatíveis com o carregador

Como a tecnologia USB incorpora comunicações de dados, bem como um protocolo de fornecimento de energia, os profissionais de marketing e desenvolvedores de produtos podem estar preocupados que a implementação do projeto seja mais difícil, complexa e longa do que um circuito de fonte de alimentação simples, não configurável e sem sinalização de um conector cilíndrico . Na verdade, um projeto de prova de conceito para um sistema de entrada de energia USB PD 3.0 por meio de um receptáculo USB Tipo C pode ser concluído em questão de minutos. Implementar um projeto de produção também é extremamente simples, exigindo poucos componentes e nenhum desenvolvimento de firmware.

O caminho mais rápido para um projeto de prova de conceito para uma entrada de alimentação USB Tipo C é usar um kit de desenvolvimento que possui um controlador USB PD 3.0 integrado, transceptor e firmware de protocolo. Por exemplo, o Kit Cypress Semiconductor CY4533 EZ-PD ™ Barrel Connector Replacement (BCR) baseado no chip EZ-PD CYPD3177 BCR é uma pequena placa do tamanho de um cartão de crédito que inclui um receptáculo USB Tipo C, o EZ-PD BCR chip, um pequeno número de componentes simples necessários para configurar a corrente e a tensão de entrada. O kit permite que um desenvolvedor de produto crie rapidamente um protótipo de uma entrada de alimentação USB Tipo C em seu projeto, substituindo o conector cilíndrico.

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Figura 2:Criação de uma entrada de alimentação USB tipo C universal para um alto-falante inteligente usando o kit EZ-PD BCR da Cypress Semiconductor. (Fonte:Cypress)

A Figura 2 mostra como o kit pode ser usado para projetar um protótipo para uma entrada de alimentação USB Tipo C para substituir a entrada de alimentação do conector cilíndrico existente para um alto-falante inteligente. Primeiro, o desenvolvedor começa selecionando qualquer carregador USB Tipo C que ofereça suporte ao perfil de energia necessário. O padrão USB PD 3.0 especifica opções de tensão de saída de 5 V, 9 V, 12 V, 15 V e 20 V e corrente de saída de até 5 A. Um alto-falante inteligente requer uma entrada de 15 V a 2 A.

Em segundo lugar, forneça ao alto-falante a entrada de energia correta, selecionando um perfil de energia pré-configurado. Com um kit de desenvolvimento, isso é feito girando uma chave rotativa. Finalmente, fixe os fios do conector cilíndrico do alto-falante ao bloco de terminais do kit, conecte o conector cilíndrico no alto-falante e ligue-o para testar a operação adequada.

Neste sistema de protótipo, o controlador USB executa todas as funções de fornecimento de energia USB. Isso inclui gerenciar a comunicação entre o dissipador de energia e o carregador, bem como ligar e desligar o interruptor de carga para iniciar / interromper o fornecimento ao dissipador de energia. O controlador também protege o dissipador de energia contra danos causados ​​por condições de curto-circuito, sobretensão ou subtensão e fornece proteção ESD em nível de sistema de até 15 kV. Como os controladores USB vêm completos com o firmware do protocolo USB PD 3.0, não há requisito de desenvolvimento de software para fazer a substituição do conector cilíndrico.

Uma vez que o teste do protótipo tenha verificado o funcionamento adequado da substituição do conector de barril USB Tipo-C, os desenvolvedores devem converter o protótipo em um projeto de produção. Como os controladores USB de hoje são dispositivos altamente integrados, este é um processo relativamente simples. A Figura 3 mostra um circuito completo para fornecimento de energia USB Tipo C que requer menos de dez componentes externos.

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Figura 3:Um circuito de aplicação típico para a substituição de um conector USB tipo C com base no controlador de fornecimento de energia CYPD3177. (Fonte:Cypress)

Esses componentes são:

• O receptáculo USB Tipo C. Por se tratar de uma peça padrão, o custo do receptáculo é baixo. Seu preço continuará caindo graças às economias de escala criadas pela adoção da interface USB Tipo-C em produtos de alto volume, como laptops e telefones celulares.
• O controlador USB, que se conecta ao controlador host do dispositivo (se desejado, mas não obrigatório) via I ² Interface C.
• Redes de divisores de resistores para selecionar a tensão de saída desejada e os valores de corrente.

Os valores para os resistores são fornecidos em tabelas na folha de dados do controlador USB. Devido às pequenas dimensões do receptáculo USB Tipo-C - apenas 2,4 mm de altura - o espaço ocupado pelo circuito de alimentação completo é comparável ao da fonte de alimentação do conector cilíndrico que ele substitui.

Verde e conveniente

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Os benefícios ambientais, comerciais e para o consumidor de substituir a infinidade de tipos de conectores cilíndricos por um carregador universal para dispositivos alimentados por bateria <100 W são enormes:

• Redução do lixo eletrônico
• Redução do uso de materiais para a fabricação de carregadores descartáveis ​​
• Redução do número de unidades de armazenamento de carregadores para OEMs que enviam um carregador diferente com cada produto
• Um único carregador para todos os dispositivos que o consumidor possui
• Fácil substituição de carregadores defeituosos ou perdidos

Para obter mais informações, consulte:

• Relatório do Monitor de lixo eletrônico global
• Fórum de implementadores de USB (USB-IF)
• Kit de avaliação Cypress CY4533 EZ-PD BCR