Comment l'USB Type-C peut réduire la confusion des adaptateurs d'alimentation grand public et réduire les déchets électroniques mondiaux

L'industrie de l'électronique grand public souffre d'un gigantesque problème de déchets électroniques. Le dernier rapport Global E-waste Monitor suggère qu'environ 1 million de tonnes d'adaptateurs électriques sont produits chaque année. Ces chargeurs sont livrés avec des appareils portables grand public tels que des ordinateurs portables, des tablettes, des téléphones portables, des appareils photo, des haut-parleurs intelligents, des outils électriques et de nombreux autres types de produits.

Fonctionnellement, ces adaptateurs sont remarquablement similaires. Ils sont capables de fonctionner sur une plage de tension d'entrée secteur de 85 V à 264 V_ac pour une utilisation partout dans le monde. De plus, pour la plupart des appareils, leur puissance de sortie nominale est inférieure à 100 W. Pourtant, il est rare aujourd'hui que les fabricants permettent d'utiliser l'adaptateur d'un appareil pour alimenter un produit différent. En fait, l'industrie a réussi à créer une gamme étonnante de versions cosmétiquement similaires mais fonctionnellement incompatibles du connecteur d'alimentation cylindrique de base (voir Figure 1).

Figure 1 :Un large éventail de connecteurs cylindriques est utilisé dans les adaptateurs d'alimentation et les chargeurs de batterie. (Source :Cypress)

Cela crée une confusion pour le consommateur, qui a du mal à distinguer un type de connecteur cylindrique d'un autre. Lorsqu'un adaptateur secteur d'un appareil est perdu ou est endommagé, l'achat d'un adaptateur de remplacement nécessite une vérification méticuleuse de la compatibilité de la pièce de rechange avec l'appareil pour lequel elle est nécessaire. Et chaque fois que l'utilisateur a besoin ou souhaite remplacer un appareil électronique, le chargeur sera mis au rebut, ajoutant à l'accumulation mondiale de déchets électroniques.

Idéalement, les consommateurs pourraient utiliser le même adaptateur secteur et le même connecteur sur plusieurs appareils. Un tel connecteur universel améliorerait l'expérience utilisateur et permettrait aux fabricants d'économiser les coûts qu'ils encourent actuellement pour produire et expédier des adaptateurs avec chaque produit qu'ils fabriquent.

Il n'est pas nécessaire qu'un nouveau consortium industriel élabore une réponse coordonnée puisqu'un tel connecteur existe déjà, est facile à mettre en œuvre et est facilement disponible :le connecteur USB Type-C. Cette interface est prise en charge par le dernier protocole USB Power Delivery (PD), une norme de l'industrie pour fournir un maximum de 100 W (jusqu'à 20 V à jusqu'à 5 A) à un appareil consommateur d'énergie.

Fonctionnalités conviviales de l'USB Type-C

L'USB – Universal Serial Bus – est une technologie d'interface qui fournit des protocoles pour la communication de données et la fourniture d'énergie. L'organisation de normalisation USB - l'USB Implementers Forum (USB-IF) - décrit les spécifications de test rigoureuses utilisées pour valider la conformité des périphériques USB à la norme. Il applique également strictement les exigences d'interopérabilité pour les appareils étiquetés comme certifiés USB.

Le résultat est que, par expérience, les consommateurs comprennent que la présence d'un logo USB sur un connecteur ou un câble indique qu'il est compatible avec tout autre appareil portant un logo USB. De plus, le connecteur et le câble USB Type-C eux-mêmes ne pourraient pas être plus conviviaux car ils sont réversibles et indifférents à la direction.

Pour les consommateurs, aucun nouvel apprentissage ou habitude n'a besoin d'être acquis avant d'adopter le chargeur USB Type-C comme alimentation universelle pour les appareils alimentés par batterie. Cela inclut les ordinateurs portables et les smartphones ainsi que les appareils qui n'envoient et ne reçoivent aucune donnée, tels que les haut-parleurs intelligents, les rasoirs et les outils électriques, etc. Les chargeurs USB Type-C sont déjà facilement disponibles aujourd'hui :plus de 500 USB Type-C tiers les adaptateurs, les chargeurs et les banques d'alimentation de plusieurs fabricants sont facilement disponibles à l'achat en ligne ou dans les magasins du monde entier.

En utilisant l'USB Type-C comme connecteur d'alimentation universel au lieu d'un connecteur cylindrique propriétaire, un fabricant d'appareils réduit sa contribution au problème des déchets électroniques. Les OEM peuvent également choisir d'économiser les coûts de production et d'expédition encourus lors du regroupement d'un adaptateur secteur avec son produit. Les fabricants de casques Bluetooth, de caméras d'action et d'autres appareils similaires ont déjà pris la décision de ne pas expédier de chargeur par défaut avec leurs nouveaux produits.

Aujourd'hui, des centaines de modèles d'ordinateurs portables et de téléphones portables de marques telles que HP, Dell Apple, Lenovo, Acer, Asus, Huawei et Samsung disposent d'une interface d'alimentation et d'un chargeur USB Type-C. La pénétration des alimentations USB Type-C dans les ordinateurs portables et les téléphones portables atteindra 100 % dans un avenir proche.

Le moyen le plus rapide de mettre en œuvre une nouvelle conception de dissipateur d'alimentation USB Type-C

La technologie USB qui sous-tend un chargeur de batterie universel est prête à être déployée dès aujourd'hui. La norme USB assure l'interopérabilité grâce à la communication entre l'« hôte » - tel qu'un chargeur - et le « périphérique alimenté ».

La communication sous le protocole USB-PD permet à un appareil alimenté de :

• détecter un chargeur lorsqu'il est connecté via un câble USB Type-C
• découvrez les profils d'alimentation - qui spécifient les paramètres, y compris la tension et le courant maximum fournis à l'appareil alimenté - que le chargeur prend en charge
• spécifiez le profil requis par l'appareil à partir des profils d'alimentation pris en charge par le chargeur

Étant donné que la technologie USB intègre des communications de données ainsi qu'un protocole d'alimentation électrique, les spécialistes du marketing et les développeurs de produits peuvent craindre que la mise en œuvre de la conception soit plus difficile, complexe et longue qu'un circuit d'alimentation électrique simple, non configurable et sans signalisation d'un connecteur cylindrique. . En fait, une conception de preuve de concept pour un système d'entrée d'alimentation USB PD 3.0 via une prise USB Type-C peut être réalisée en quelques minutes. La mise en œuvre d'une conception de production est également remarquablement simple, nécessitant peu de composants et aucun développement de micrologiciel.

La voie la plus rapide vers une conception de validation de principe pour une entrée d'alimentation USB Type-C consiste à utiliser un kit de développement doté d'un contrôleur USB PD 3.0, d'un émetteur-récepteur et d'un micrologiciel de protocole intégrés. Par exemple, le kit Cypress Semiconductor CY4533 EZ-PD™ Barrel Connector Replacement (BCR) basé sur la puce EZ-PD CYPD3177 BCR est une petite carte de la taille d'une carte de crédit qui comprend une prise USB Type-C, le EZ-PD BCR puce, un petit nombre de composants simples requis pour configurer le courant et la tension d'entrée. Le kit permet à un développeur de produit de prototyper rapidement une entrée d'alimentation USB Type-C pour sa conception, en remplaçant le connecteur cylindrique.

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Figure 2 :Création d'une entrée d'alimentation USB Type-C universelle vers un haut-parleur intelligent à l'aide du kit EZ-PD BCR de Cypress Semiconductor. (Source :Cypress)

La figure 2 montre comment le kit peut être utilisé pour concevoir un prototype d'entrée d'alimentation USB Type-C pour remplacer l'entrée d'alimentation du connecteur cylindrique existant vers un haut-parleur intelligent. Tout d'abord, le développeur commence par sélectionner n'importe quel chargeur USB Type-C qui prend en charge le profil d'alimentation requis. La norme USB PD 3.0 spécifie des options de tension de sortie de 5 V, 9 V, 12 V, 15 V et 20 V et un courant de sortie allant jusqu'à 5 A. Un haut-parleur intelligent nécessite une entrée de 15 V à 2 A.

Deuxièmement, alimentez le haut-parleur avec la puissance d'entrée correcte en sélectionnant un profil de puissance préconfiguré. Avec un kit de développement, cela se fait en tournant un commutateur rotatif. Enfin, fixez les fils du connecteur cylindrique du haut-parleur au bornier du kit, branchez le connecteur cylindrique au haut-parleur et allumez-le pour tester son bon fonctionnement.

Dans ce prototype de système, le contrôleur USB exécute toutes les fonctions d'alimentation USB. Cela inclut la gestion de la communication entre le bloc d'alimentation et le chargeur ainsi que l'activation et la désactivation de l'interrupteur de charge pour lancer/arrêter l'alimentation du bloc d'alimentation. Le contrôleur protège également la source d'alimentation contre les dommages causés par des conditions de court-circuit, de surtension ou de sous-tension et fournit une protection ESD au niveau du système jusqu'à 15 kV. Comme les contrôleurs USB sont fournis avec le micrologiciel du protocole USB PD 3.0, il n'y a aucune exigence de développement logiciel pour effectuer le remplacement du connecteur cylindrique.

Une fois que les tests du prototype ont vérifié le bon fonctionnement du remplacement du connecteur cylindrique USB Type-C, les développeurs doivent convertir le prototype en une conception de production. Comme les contrôleurs USB d'aujourd'hui sont des appareils hautement intégrés, il s'agit d'un processus relativement simple. La figure 3 montre un circuit complet pour l'alimentation USB Type-C qui nécessite moins de dix composants externes.

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Figure 3 :Un circuit d'application typique pour un remplacement de connecteur cylindrique USB Type-C basé sur le contrôleur de distribution d'alimentation CYPD3177. (Source :Cypress)

Ces composants sont :

• La prise USB Type-C. Comme il s'agit d'une pièce standard, le coût du réceptacle est faible. Son prix continuera de baisser grâce aux économies d'échelle créées par l'adoption de l'interface USB Type-C dans les produits à volume élevé tels que les ordinateurs portables et les téléphones portables.
• Le contrôleur USB, qui se connecte au contrôleur hôte de l'appareil (si désiré, mais pas obligatoire) via I ² Interface C.
• Réseaux diviseurs de résistances pour sélectionner les valeurs de tension et de courant de sortie souhaitées.

Les valeurs des résistances sont fournies dans les tableaux de la fiche technique du contrôleur USB. En raison des petites dimensions du réceptacle USB Type-C - seulement 2,4 mm de haut - l'espace occupé par le circuit d'alimentation complet est comparable à celui de l'alimentation du connecteur cylindrique qu'il remplace.

Vert et pratique

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Les avantages environnementaux, commerciaux et pour le consommateur du remplacement de la pléthore de types de connecteurs cylindriques par un chargeur universel pour les appareils alimentés par batterie <100 W sont énormes :

• Réduction des déchets électroniques
• Utilisation réduite des matériaux pour la fabrication des chargeurs à usage unique
• Réduction du nombre d'unités de stockage de chargeurs pour les OEM qui expédient un chargeur différent avec chaque produit
• Un seul chargeur pour tous les appareils qu'un consommateur possède
• Remplacement facile des chargeurs défectueux ou égarés

Pour plus d'informations, consultez :

• Rapport Global E-waste Monitor
• Forum des développeurs USB (USB-IF)
• Kit d'évaluation Cypress CY4533 EZ-PD BCR