Hoe USB Type-C verwarring over de voedingsadapter van consumenten kan verminderen en wereldwijd e-waste kan verminderen

De consumentenelektronica-industrie kampt met een gigantisch probleem met elektronisch afval. Uit het laatste Global E-waste Monitor-rapport blijkt dat er jaarlijks zo'n 1 miljoen ton stroomadapters wordt geproduceerd. Deze opladers worden geleverd met draagbare consumentenapparaten zoals laptops, tablets, mobiele telefoons, camera's, slimme luidsprekers, elektrisch gereedschap en vele andere producttypes.

Functioneel lijken deze adapters opmerkelijk veel op elkaar. Ze kunnen werken over een ingangsspanningsbereik van 85 V tot 264 V_ac overal ter wereld te gebruiken. Bovendien is het nominale uitgangsvermogen van de meeste apparaten minder dan 100 W. Toch is het tegenwoordig zeldzaam dat fabrikanten het mogelijk maken om de adapter van één apparaat te gebruiken om een ​​ander product van stroom te voorzien. De industrie is er zelfs in geslaagd om een ​​verbazingwekkende reeks cosmetisch vergelijkbare maar functioneel incompatibele versies van de standaard barrel-voedingsconnector te creëren (zie afbeelding 1).

Figuur 1:Een breed scala aan vatconnectoren wordt gebruikt in stroomadapters en batterijladers. (Bron:Cypress)

Dit zorgt voor verwarring bij de consument, die het moeilijk vindt om het ene type barrel connector van het andere te onderscheiden. Wanneer de voedingsadapter van een apparaat zoekraakt of beschadigd raakt, vereist de aankoop van een vervangend onderdeel een nauwgezette controle of het vervangende onderdeel compatibel is met het apparaat waarvoor het nodig is. En elke keer dat de gebruiker een elektronisch apparaat nodig heeft of wil vervangen, wordt de oplader weggegooid, wat bijdraagt ​​aan de wereldwijde opeenhoping van elektronisch afval.

Idealiter zouden consumenten dezelfde voedingsadapter en connector op meerdere apparaten kunnen gebruiken. Zo'n universele connector zou de gebruikerservaring verbeteren en fabrikanten de kosten besparen die ze momenteel maken om adapters te produceren en te verzenden bij elk product dat ze maken.

Er is geen nieuw industrieconsortium nodig om een ​​gecoördineerd antwoord uit te werken, aangezien een dergelijke connector al bestaat, eenvoudig te implementeren is en direct beschikbaar is:de USB Type-C-connector. Deze interface wordt ondersteund door het nieuwste USB Power Delivery (PD)-protocol, een industriestandaard voor het leveren van maximaal 100 W (tot 20 V bij maximaal 5 A) aan een stroomverbruikend apparaat.

Gebruiksvriendelijke functies van USB Type-C

USB – de Universal Serial Bus – is een interfacetechnologie die protocollen biedt voor datacommunicatie en stroomvoorziening. De USB-standaardinstelling - het USB Implementers Forum (USB-IF) - schetst strenge testspecificaties die worden gebruikt om de conformiteit van USB-apparaten met de standaard te valideren. Het handhaaft ook strikt de interoperabiliteitsvereisten voor apparaten die zijn gemarkeerd als USB-gecertificeerd.

Het resultaat is dat consumenten uit ervaring begrijpen dat de aanwezigheid van een USB-logo op een connector of kabel aangeeft dat deze compatibel is met elk ander apparaat met een USB-logo. Bovendien kunnen de USB Type-C-connector en -kabel zelf niet gebruiksvriendelijker zijn, omdat ze omkeerbaar en richtingsonafhankelijk zijn.

Voor consumenten hoeven er geen nieuwe leer- of gewoontes te worden aangeleerd voordat de USB Type-C-oplader wordt gebruikt als universele voeding voor apparaten op batterijen. Dit omvat laptops en smartphones, maar ook apparaten die geen gegevens verzenden en ontvangen, zoals slimme luidsprekers, scheerapparaten en elektrisch gereedschap, enz. USB Type-C-opladers zijn tegenwoordig al gemakkelijk aan te schaffen:meer dan 500 USB Type-C van derden adapters, opladers en powerbanks van meerdere fabrikanten zijn direct beschikbaar om online of in winkels over de hele wereld te kopen.

Door USB Type-C als universele stroomconnector te gebruiken in plaats van een gepatenteerde barrelconnector, vermindert een apparaatfabrikant zijn bijdrage aan het e-waste-probleem. OEM's kunnen er ook voor kiezen om de productie- en verzendkosten te besparen die worden gemaakt bij het bundelen van een voedingsadapter bij het product. Fabrikanten van Bluetooth-headsets, actiecamera's en andere soortgelijke apparaten hebben al de stap genomen om standaard geen oplader bij hun nieuwe producten mee te sturen.

Tegenwoordig hebben honderden modellen laptops en mobiele telefoons van merken als HP, Dell Apple, Lenovo, Acer, Asus, Huawei en Samsung een USB Type-C-voedingsinterface en oplader. De penetratie van USB Type-C voedingen in laptops en mobiele telefoons zal in de nabije toekomst 100% bereiken.

De snelste manier om een ​​nieuw USB Type-C powersink-ontwerp te implementeren

De USB-technologie die aan een universele batterijlader ten grondslag ligt, is vandaag klaar voor gebruik. De USB-standaard zorgt voor interoperabiliteit door communicatie tussen de 'host' - zoals een oplader - en het 'aangedreven apparaat'.

Communicatie onder het USB-PD-protocol stelt een gevoed apparaat in staat om:

• een oplader detecteren wanneer aangesloten via een USB Type-C-kabel
• ontdek de stroomprofielen - die parameters specificeren, waaronder de maximale spanning en stroom die aan het gevoede apparaat wordt geleverd - die de oplader ondersteunt
• geef het profiel op dat het apparaat nodig heeft uit de ondersteunde energieprofielen van de oplader

Omdat USB-technologie zowel datacommunicatie als een stroomvoorzieningsprotocol omvat, kunnen productmarketeers en ontwikkelaars zich zorgen maken dat de ontwerpimplementatie moeilijker, complexer en langduriger is dan het eenvoudige, niet-configureerbare, niet-signalerende voedingscircuit van een vatconnector . In feite kan een proof-of-concept-ontwerp voor een USB PD 3.0-stroominvoersysteem via een USB Type-C-aansluiting in enkele minuten worden voltooid. Het implementeren van een productieontwerp is ook opmerkelijk eenvoudig, vereist weinig componenten en geen firmware-ontwikkeling.

De snelste weg naar een proof-of-concept-ontwerp voor een USB Type-C-voedingsingang is om een ​​ontwikkelkit te gebruiken met een ingebouwde USB PD 3.0-controller, transceiver en protocolfirmware. De Cypress Semiconductor CY4533 EZ-PD™ Barrel Connector Replacement (BCR) Kit op basis van de EZ-PD CYPD3177 BCR-chip is bijvoorbeeld een klein bord ter grootte van een creditcard met een USB Type-C-aansluiting, de EZ-PD BCR chip, een klein aantal eenvoudige componenten die nodig zijn voor het configureren van de ingangsstroom en -spanning. Met de kit kan een productontwikkelaar snel een prototype maken van een USB Type-C-voedingsingang naar hun ontwerp, ter vervanging van de cilinderconnector.

klik voor grotere afbeelding

Afbeelding 2:Creëren van een universele USB Type-C voedingsingang naar een slimme luidspreker met behulp van de EZ-PD BCR Kit van Cypress Semiconductor. (Bron:Cypress)

Afbeelding 2 laat zien hoe de kit kan worden gebruikt om een ​​prototype te ontwerpen voor een USB Type-C-voedingsingang ter vervanging van de bestaande barrelconnector-voedingsingang naar een slimme luidspreker. Eerst begint de ontwikkelaar met het selecteren van een USB Type-C-oplader die het vereiste energieprofiel ondersteunt. De USB PD 3.0-standaard specificeert uitgangsspanningsopties van 5 V, 9 V, 12 V, 15 V en 20 V en een uitgangsstroom van maximaal 5 A. Een slimme luidspreker vereist een ingang van 15 V bij 2 A.

Ten tweede, voorzie de luidspreker van het juiste ingangsvermogen door een vooraf geconfigureerd vermogensprofiel te selecteren. Bij een ontwikkelkit gebeurt dit door aan een draaischakelaar te draaien. Bevestig tot slot de kabels van de luidsprekerconnector aan het aansluitblok van de kit, steek de stiftconnector in de luidspreker en schakel deze in om te testen of deze goed werkt.

In dit prototypesysteem voert de USB-controller alle USB-stroomvoorzieningsfuncties uit. Dit omvat het beheren van de communicatie tussen de powersink en de oplader en het in- en uitschakelen van de belastingschakelaar om de voeding naar de powersink te starten/stoppen. De controller beschermt ook de stroomafname tegen schade veroorzaakt door kortsluiting, overspanning of onderspanning en biedt ESD-bescherming op systeemniveau tot 15 kV. Omdat USB-controllers compleet worden geleverd met USB PD 3.0-protocolfirmware, is er geen softwareontwikkelingsvereiste om de barrelconnector te vervangen.

Zodra het testen van het prototype de juiste werking van de vervanging van de USB Type-C-cilinderconnector heeft geverifieerd, moeten ontwikkelaars het prototype omzetten in een productieontwerp. Omdat de huidige USB-controllers sterk geïntegreerde apparaten zijn, is dit een relatief eenvoudig proces. Afbeelding 3 toont een compleet circuit voor stroomvoorziening via USB Type-C waarvoor minder dan tien externe componenten nodig zijn.

klik voor grotere afbeelding

Afbeelding 3:Een typisch toepassingscircuit voor vervanging van een USB Type-C-cilinderconnector op basis van de CYPD3177 power delivery controller. (Bron:Cypress)

Deze componenten zijn:

• De USB Type-C-aansluiting. Omdat dit een standaardonderdeel is, zijn de kosten van de houder laag. Het zal in prijs blijven dalen dankzij de schaalvoordelen die worden gecreëerd door de invoering van de USB Type-C-interface in grootschalige producten zoals laptops en mobiele telefoons.
• De USB-controller, die via I ² wordt aangesloten op de hostcontroller van het apparaat (indien gewenst, maar niet vereist) C-interface.
• Weerstandsdelernetwerken om de gewenste uitgangsspanning en stroomwaarden te selecteren.

Waarden voor de weerstanden staan ​​in tabellen in de datasheet van de USB-controller. Vanwege de kleine afmetingen van de USB Type-C-aansluiting - slechts 2,4 mm hoog - is de ruimte die wordt ingenomen door het complete stroomcircuit vergelijkbaar met die van de barrel-connectorvoeding die het vervangt.

Groen en handig

Misschien ben je ook geïnteresseerd in deze gerelateerde ingesloten artikelen:

• USB-C speelt een steeds grotere rol in wearables en mobiele producten
• Interoperabele batterijladers ontwerpen
• Debuggen van USB Type-C en USB power delivery systeemontwerpen

De milieu-, commerciële en consumentenvoordelen van het vervangen van de overvloed aan barrel-connectortypes door een universele oplader voor <100 W batterijgevoede apparaten zijn enorm:

• Minder e-waste
• Verminderd gebruik van de materialen voor het vervaardigen van opladers voor eenmalig gebruik
• Gereduceerd aantal opladers voor OEM's die een andere oplader bij elk product leveren
• Eén enkele oplader voor alle apparaten die een consument bezit
• Eenvoudige vervanging van defecte of zoekgeraakte opladers

Voor meer informatie, zie:

• Global E-waste Monitor-rapport
• USB Implementers Forum (USB-IF)
• Cypress CY4533 EZ-PD BCR-evaluatiekit