USB-C encontra um papel crescente em wearables e produtos móveis

O consumo de energia é um dos maiores desafios do setor de tecnologia móvel. O USB-C deveria ser principalmente uma opção de conectividade, mas está cada vez mais achando graça porque também é um meio útil de gerenciamento de energia em dispositivos portáteis.

Neste ecossistema móvel em constante evolução, os dispositivos se tornam cada vez mais inteligentes e poderosos, o que significa que todos eles precisam de mais energia para funcionar. Embora os fabricantes se esforcem para reduzir o consumo da bateria, o problema comum com smartphones, dispositivos vestíveis, pulseiras de fitness, tablets e laptops é o alto consumo de energia após algumas horas de uso em plena capacidade, sendo necessária uma sessão com fonte de alimentação para recarregar a bateria . Portanto, um dos muitos desafios para os projetistas é avaliar o fator de energia, estimar a energia necessária e projetar uma configuração de gerenciamento de energia muito eficiente.

No projeto de um sistema de carregamento sem fio, um parâmetro fundamental é representado pela quantidade de energia de carregamento necessária para reabastecer a bateria. A potência recebida depende de inúmeros fatores, incluindo o nível da potência transmitida, a distância e o alinhamento entre o enrolamento transmissor e o receptor, definido de outra forma como "acoplamento" e, finalmente, a tolerância dos componentes do transmissor e de o receptor. Ninguém tem tempo para esperar a bateria ser recarregada:quanto menor o tempo para recarregar a bateria, melhor será a experiência do usuário. Isso é bem compreendido no mercado de eletrônicos de consumo e todas as grandes marcas estão tentando reduzir o tempo de carregamento.

Dispositivos com porta USB-C recarregam rapidamente e oferecem velocidades de transferência ultrarrápidas para conexão com periféricos e dispositivos externos. USB-C também suporta saída de áudio e vídeo e é compatível com monitores HDMI, VGA e DisplayPort. O USB-C está prestes a se tornar o padrão da indústria para fabricantes de todos os tipos de dispositivos.

Mas, embora o USB-C simplifique as coisas para os usuários finais, ele aumenta a complexidade do ponto de vista de projeto e engenharia. Existem desafios substanciais de design e teste que os designers precisam enfrentar com a criação de um conector de alimentação USB tipo C que permite compatibilidade e uso reversível com todos os outros tipos. A porta USB evoluiu desde seu uso inicial principalmente como uma interface de dados, tornando-se posteriormente o principal meio de carregamento de dispositivos eletrônicos portáteis.

Figura 1:SM58IP04 de chip único

A Silicon Mitus possui quatro linhas de produtos que atendem aos mercados de dispositivos móveis e eletrônicos de consumo, telas LCD e OLED e acessórios de carregamento. Os principais aplicativos são circuitos integrados de gerenciamento de energia (PMIC) para aplicativos de smartphone, como IF PMIC / gerenciamento de bateria com carregamento rápido, soluções USB Type-C completas e carregadores sem fio; Soluções PMIC para telas LCD e OLED para smartphones, monitores e grandes TVs; Produtos de áudio para amplificadores Class-D otimizados, codec de áudio de alto desempenho e som de superfície para monitores de tela plana; Soluções PMIC para aplicativos de computação e carregadores de bateria USB tipo C.

“Enviamos mais de 3,5 bilhões de ICs nesses mercados até agora.” disse Youm Huh, CEO da Silicon Mitus, uma empresa sul-coreana com sede em Pangyo (Seul), especializada em produtos de IC analógico. “O setor automotivo é outro mercado que estamos atendendo com a PMIC, bem como produtos de áudio para infotainment automotivo e módulos de exibição. A Silicon Mitus fornece IC de gerenciamento de energia para fabricantes de módulos de câmeras retrovisoras de última geração de automóveis (substituindo os espelhos de vidro). ”

A Silicon Mitus anunciou recentemente o SM58IP04:um único chip USB Type-C Narrow V _DC (NVDC) carregador voltado para aplicações de bateria 2S / 3S e 4S. Ele atinge até 95% de eficiência ao mesmo tempo em que carrega a bateria em modo buck ou boost em até 6 A devido ao gerenciamento térmico avançado.

“Estamos extremamente satisfeitos com o desempenho do SM58IP04:ele foi rapidamente adotado em aplicativos de computação onde o produto tem sido muito eficaz em oferecer ótimo desempenho, com um tamanho de solução de PCB pequeno e economia de custos”, disse Gianfranco Scherini, vice-presidente da empresa de desenvolvimento de negócios. “Este produto combina os recursos de um carregador de bateria multicelular com o suporte total da especificação USB Type-C e PD.”

O padrão USB Type-C atende às necessidades do mercado em termos de entrega de energia e taxa de dados, mas, acima de tudo, em termos da quantidade cada vez maior de dispositivos capazes de se interconectar. É um conector reversível, o que significa que você não precisa saber a direção da conexão. O padrão USB Type-C se adapta para ser uma conexão perfeita para acessórios e periféricos externos, mas também para alimentar laptops e outros dispositivos. Na verdade, o padrão USB Type-C Power Delivery (PD) suporta correntes de até 5A e 20V, tornando possível fornecer até 100Watts de potência. Dados os níveis atuais, o padrão exige proteções adequadas, sem as quais poderia danificar o dispositivo.

“Provamos que nossa estratégia de aumentar a eficiência de nosso buck-boost e, ao mesmo tempo, visar agressivamente o mais alto nível de integração estava certa. Os clientes realmente apreciam as vantagens de uma solução simples e altamente eficiente que integra o suporte total para o caminho de alimentação USB Tipo-C junto com um carregador de bateria. Com o uso do SM58IP04, cada porta USB Tipo C se comporta exatamente da mesma forma e, portanto, oferece outro nível de flexibilidade para o design do sistema ao tentar acomodar diferentes fatores de forma com uma plataforma comum. Vimos o potencial do USB Type-C com o lançamento da especificação Power Delivery 3.0 e em uma grande quantidade de novos modelos de uso, e isso é apenas o começo. Vamos pensar na capacidade de fornecer até 100Watts de potência - 5Amp * 20 volts - com a possibilidade de negociar os valores das tensões e da corrente em qualquer forma ou formato necessário ”, disse Scherini.

O principal obstáculo para a implementação de soluções de economia de energia está no gerenciamento térmico. Os avanços tecnológicos no projeto aumentaram continuamente a necessidade de proteger os componentes contra o aumento de calor. Para um fabricante de semicondutores, a embalagem de silício é um fator chave de distinção. Especificações como dissipação térmica e requisitos gerais do sistema dependem muito da embalagem.

“O gerenciamento térmico desempenha um papel muito importante. Conforme os consumidores estão migrando para notebooks mais finos e sem ventoinha, um dos desafios é manter o sistema dentro de uma temperatura confortável ao toque e dentro da faixa de temperatura de operação do IC ”, disse Huh.

Uma das condições críticas acontece enquanto o usuário conecta o sistema à fonte de alimentação:para permitir que os usuários recarreguem um dispositivo no menor tempo, precisamos injetar o máximo de energia possível na bateria de uma só vez. Por exemplo, em aplicativos de notebook e Chromebook, é comum que o carregador forneça entre 45 a 65 Watts de energia para a bateria. Isso implica que, com cada ponto percentual de perda de eficiência, mais de meio watt é dissipado localmente na área muito pequena da placa PCB e gera calor aumentando a temperatura local.

Figura 2:layout do circuito para o chip único SM58IP04

Portanto, os requisitos de desempenho de hardware direcionam a eletrônica cada vez mais para arquiteturas com alta eficiência energética, de forma que possam suportar mais configurações e controle preciso a fim de preservar as características dos dispositivos para um futuro próximo.

“SM58IP04 ajuda a resolver esse problema abordando a alta eficiência do buck-boost e a dissipação térmica ideal com uma tecnologia de pacote que maximiza o fluxo de calor através do PCB. Quanto maior a eficiência do carregador, quanto menor a quantidade de energia dissipada dentro do gabinete do dispositivo, melhor o calor é dissipado pela placa-mãe e mais baixa a temperatura do sistema ”, disse Huh.

“Para apoiar o crescimento em pesquisa e desenvolvimento, em 2017 abrimos um novo Centro de Design em Pavia, Itália, onde encontramos um grupo atraente de designers analógicos qualificados. Estamos totalmente equipados para fornecer a última geração de carregadores de bateria, para que nossos clientes possam aproveitar ao máximo os recursos USB Type-C em aplicativos móveis e de laptop ”, disse Huh.

“É por isso que decidimos investir em carregadores de bateria USB tipo C para aplicativos de laptop / Chromebook e divisores de tampa usados ​​em aplicativos móveis. A tensão de saída do SM58IP04 pode ser programada com uma granularidade de 12,5 mV - totalmente compatível com o USB PD3.0 exigindo uma etapa mínima de 20 mV. Com nosso portfólio de produtos, o Silicon Mitus permite novas arquiteturas para carregadores de bateria que podem contornar qualquer conversão de energia interna no dispositivo, eliminando assim a principal fonte de perdas de energia enquanto mantém a corrente fluindo para o cabo dentro de 3A. Isso elimina a necessidade de cabos mais caros, já que acima de 3A, o padrão USB requer o uso de um cabo marcado e mais caro, “Huh acrescentou.

Os dispositivos de gerenciamento de energia estão cada vez mais inteligentes e eficientes. A demanda por tais dispositivos está aumentando rapidamente devido a recursos e tecnologias avançadas. O mercado global de PMIC deve se expandir para um CAGR de 4,6% nos próximos anos e chegar a US $ 56,48 bilhões em 2026.