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Cómo aumentar el límite de corriente de USB para lograr que la carga de los dispositivos sea más eficiente

USB (Universal Serial Bus) es el interface de ordenador más utilizado en el mundo, empezó como bus de expansión para PC pero ha proliferado rápidamente debido a su flexibilidad, prestaciones y capacidad de conexión en caliente. La mayoría de dispositivos electrónicos portátiles que necesitan conectarse a un PC utiliza USB para transferir archivos; entre ellos se encuentran reproductores MP3, cámaras digitales, teléfonos móviles y tabletas.

 

Dado que un puerto de bajada estándar USB puede suministrar como mínimo una corriente de 500 mA (USB 2.0) o 900 mA (USB 3.0), también está indicado para cargar estos dispositivos. Pero si se aumentara este límite de corriente la carga se podría hacer de forma más eficiente. Esto se puede conseguir recurriendo al controlador concentrador USB2534 de Microchip con RapidCharge.

Si la corriente necesaria supera los límites, tanto el dispositivo cargado como el puerto de carga deben seguir un protocolo para permitir la carga de la batería.

El puerto de carga de batería de corriente es el responsable de proporcionar al dispositivo a cargar la señalización de enlace adecuada para indicar que está conectado a un puerto de carga y que puede consumir corrientes superiores a los límites del estándar USB. La señalización adecuada varía dependiendo del dispositivo portátil. Algunos dispositivos portátiles siguen los protocolos USB-IF BC1.2 pero existe una base de dispositivos instalados que para la carga de la batería utilizan protocolos de enlace propietarios o tradicionales (legacy).

Los dispositivos tradicionales ofrecen soporte a algún tipo de detección de carga de la batería para cargador dedicado. Alguno de estos cargadores cortocircuitan D+ y D- directamente o los conectan mediante una resistencia en serie. Para la detección del cargador, algunos dispositivos tradicionales elevan la tensión en D+ y a continuación detectan una tensión en D-. Si se detecta una tensión positiva, el dispositivo puede deducir que está conectado a un cargador dedicado y no a un puerto USB estándar. Otros dispositivos disminuyen la tensión en la línea de datos mientras elevan la otra. Cuando el dispositivo detecta un cargador por la presencia de una tensión en D- puede empezar a cargar desde la conexión de Vbus a niveles de corriente que superan lo que especifica USB.

Otros dispositivos tradicionales se basan en el cargador para suministrar tensiones fijas  (más de 1V) a las líneas de datos D+ y D-; se les denomina cargadores SE1. Si el dispositivo a cargar detecta estas tensiones, el dispositivo deduce que está conectado a un cargador dedicado y empieza a cargar. Un puerto USB estándar no entregaría estas tensiones fijas a las líneas D+ y D-.

Detección del cargador

 

El dispositivo portátil es el responsable de detectar el cargador y la Fig. 1 muestra el hardware necesario.

La Fig. 1 muestra cinco bloques funcionales: detección de Vbus, detección de contacto de datos, detección primaria, detección secundaria y detección ACA. Un dispositivo portátil incorpora un comparador válido de sesión. Vbus tiene que estar por encima de la tensión umbral antes de iniciar la detección del cargador. Esto se indica como VOTG_SESS_VLD en el diagrama. La detección de contacto de datos es un bloque opcional utilizado para confirmar que las líneas de datos entran en contacto durante la conexión. Se activan una fuente de corriente en D+ y una resistencia de actuación  (pull-down) en D-. Si la línea D+ pasa a nivel bajo, ello indica que las líneas de datos están conectadas a un puerto de carga o a un puerto estándar y la lógica pone en marcha la detección primaria. Se necesita un circuito de tiempo de espera para asegurar que la detección primaria se inicie tras un tiempo establecido tras la conexión en el caso de no detectar contacto o que no esté presente el bloque de detección de contacto de datos. Se necesita un dispositivo portátil para realizar la detección primaria, que se utiliza para distinguir entre un puerto estándar de bajada (standard downstream port, USB) y un puerto de carga. La Fig. 2 muestra qué sucede cuando el dispositivo se conecta a un puerto de carga dedicado (dedicated charging port, DCP), la Fig. 3 cuando se conecta a un puerto de bajada de carga (charging downstream port, CDP) y la Fig. 4 cuando se conecta a un puerto de bajada estándar (standard downstream port, SDP).

La detección secundaria se utiliza para distinguir entre un DCP y un CDP. Si un dispositivo portátil está listo para la identificación dentro de un tiempo establecido tras la detección de Vbus, puede pasar por alto la detección secundaria y en caso contrario debe implementarla. Solo los dispositivos portátiles con conector USB Micro-AB ofrecen detección ACA, y por tanto es opcional. La detección se lleva a cabo midiendo la resistencia de la patilla ID.

Carga de la batería

 

El controlador concentrador USB2534 de Microchip incorpora la tecnología RapidCharge para proporcionar la señalización de enlace adecuada a los dispositivos portátiles en puertos de bajada para activar la carga de la batería. También cuenta con la capacidad de detección de cargador de batería de corriente en sentido ascendente para USB. Para cargar la mayoría de dispositivos portátiles es necesario suministrar las señales de enlace adecuadas para cargadores tradicionales, cargadores SE1,  cargadores compatibles con la especificación de cargador de batería YD/T 1591-2009 de Chinese Telecommunications Industry y dispositivos compatibles BC1.2. El controlador concentrador incluye todos estos protocolos para realizar una carga de batería completa apta para dispositivos de Apple, Samsung y otros.

Si un puerto de bajada USB se configura para carga de baterías, el puerto es un CDP si puede identificar el dispositivo o DCP si no puede hacerlo. Si el puerto no está configurado para carga de batería, entonces es un SDP.

Se pueden habilitar puertos de bajada para carga de la batería añadiendo una resistencia de elevación (10kΩ) a la banda de configuración de carga de batería para el puerto correspondiente. Estas bandas se muestrean al reiniciar y si el muestreo está en nivel alto, se activa el puerto correspondiente para cargar la batería. La carga de la batería también se puede activar para utilizar los registros de configuración de carga de la batería incorporados al USB2534. Estos registros de configuración son utilizados por el firmware ROM interno para configurar la funcionalidad de carga de la batería para cada puerto. Estos registros pueden modificarse mediante una configuración programada en la memoria programable una sola vez (OTP) gracias a la herramienta de programación ProTouch.

La herramienta ProTouch es una herramienta desarrollada por Microchip para la configuración y programación del controlador concentrador USB2534. Se puede utilizar para desarrollo y prototipado cuando se programen uno varios dispositivos en un entorno de fabricación.

Cuando no hay Vbus en sentido ascendente y por tanto no hay un host USB conectado al puerto de subida, los puertos de bajada que permiten la carga de la batería funcionarán como puertos DCP. Los puertos habilitados para cargar la batería saldrán de este modo si el puerto de subida tiene una conexión al host.

También entrará en modo DCP si el  USB2534 se suspende y se deshabilita la reactivación remota. Para la carga de la batería en modo DCP, el puerto intentará entrar en contacto e identificar el dispositivo habilitado para BC. En modo DCP, el dispositivo siempre arranca en modo SE1. No puede detectar la conexión de un dispositivo SE1 pero puede detectar la conexión de un dispositivo que no es SE1 cuando el dispositivo bascula entre DM y DP.

Un vez que entra en modo RapidCharge, el USN2534 pasa a modo de carga SE1 y el puerto presenta los niveles de tensión de SE1. Si se conecta un dispositivo SE1, detectará pasivamente los niveles S1 y empezará a cargar. El DCP no será capaz de detectar la presencia del dispositivo SE1. El puerto permanece en modo de carga SE1 mientras el SE1 PD está cargando.

Si se conecta un dispositivo BC 1.2, su corriente es lo suficientemente elevada como para llevar a nivel bajo la línea D-. Del mismo modo, se ha observado que los dispositivos de carga tradicionales llevan la línea D- a nivel bajo al ser conectados. Para asumirlo, el puerto de bajada pasa a modo de carga tradicional si se detecta un estado en nivel bajo de la línea D- clásica. Se eliminan los rebotes en el estado de la línea D- para evitar detecciones falsas de los dispositivos conectados. La Fig. 5 muestra el modo de carga tradicional.

Los puertos habilitados para la carga de la batería saldrán del modo DCP y entrarán en modo CDP si el puerto de subida obtiene una conexión al host. Al detectar el comando de direcciones de ajuste del host, todo puerto habilitado para BC se desconectará, como mínimo, durante 250 ms antes de que pueda conectarse para permitir que el puerto de alimentación se vaya desactivando. Si el host envía un comando para activar el puerto de alimentación, el comando se retardará de la forma apropiada.  Si el comando se recibe tras finalizar la temporización se podrá ejecutar de inmediato. Un microcontrolador externo puede anular la secuencia de detección de carga automática modificando los registros de carga de batería del tiempo de ejecución de SMBus. Dado que el arranque de la detección de carga de batería se ha ajustado para que se produzca por defecto, el microcontrolador deberá escribir en el registro de control de carga de la batería o en el registro de enclavamiento de configuración para deshabilitar la secuencia automática antes de que se inicie la secuencia. Si se deshabilita la secuencia automática el microcontrolador aún puede arrancar de forma manual.

 

Conclusión

 

La carga de batería mediante USB ofrece un mecanismo práctico para la recarga de baterías en dispositivos portátiles como teléfonos móviles y tabletas. El USB-IF ha publicado la especificación de carga de baterías BC1.2 para ayudar a estandarizar los protocolos utilizados entre cargadores y dispositivos de carga con el fin de permitir la carga segura de la batería. El controlador concentrador USB2534 de Microchip con RapidCharge ofrece protocolos de carga de batería como el tradicional,  SE1, YD/T 1591-2009 de Chinese Telecommunications Industry y USB-IF BC1.2 para una carga de la batería apta para dispositivos de Apple, Samsung y otros muchos dispositivos.

El controlador concentrador también ofrece detección de carga de la batería en dispositivos portátiles que necesiten capacidad de detección de cargador USB.



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