FR3070554A1 - Procede et dispositif de diminution de la tension d'alimentation d'un dispositif recepteur usb du type c supportant le mode de delivrance de puissance usb - Google Patents

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Abstract

Dispositif de gestion de la tension d'alimentation (V BUS2) sur une broche d'alimentation de sortie (VBUS2) d'un dispositif source (DS2) USB type C comprenant un convertisseur de puissance du type alternatif/continu (1) délivrant ladite tension d'alimentation (V_BUS2), le dispositif source (DS2) étant apte à alimenter un dispositif récepteur (DR), un contrôleur d'alimentation (2) comportant un premier module MD1 configuré pour délivrer un signal de décharge d'un réseau capacitif (C1, C2) couplé au convertisseur de puissance et un deuxième module (MD2) configuré pour délivrer, simultanément au signal de décharge, un nouveau signal de consigne correspondant à la nouvelle tension délivrée à destination d'une entrée de commande (Ec1) du convertisseur de puissance, et des moyens de retard (4) couplés entre une sortie (S23) du deuxième module (MD2) et ladite entrée de commande (Ec1).

Description

Procédé et dispositif de diminution de la tension d’alimentation d’un dispositif récepteur USB du type C supportant le mode de délivrance de puissance USB
Des modes de mise en œuvre et de réalisation de l’invention concernent les dispositifs de bus universel en série (« Universal Serial Bus » : USB en anglais), notamment les dispositifs de bus universel en série compatibles avec le standard USB 3.1 supportant le mode délivrance de puissance en USB Power Delivery (« USB Power Delivery » PD mode en anglais) et comportant les connecteurs réversibles qui n’imposent pas de sens de branchement, communément connus par l’homme du métier sous le nom du type C, plus particulièrement l’ajustement de la tension sur des câbles USB reliant deux dispositifs USB.
Théoriquement, les dispositifs USB 3.1 du type C supportant le mode de délivrance de puissance en USB PD permettent de débiter jusqu’à 10 Go/s et de délivrer jusqu'à 100 W de puissance sur une tension maximale de 20 V et un courant maximal de 5 A. La puissance à délivrer entre deux dispositifs USB 3.1 PD du type C est négociable par l’intermédiaire de contrôleurs spécifiques et l’alimentation électrique peut avantageusement être bidirectionnelle entre différents dispositifs USB 3.1 du type C.
D’une façon générale, un câble USB type C est conçu pour être couplé et établir une ligne d’alimentation et de communication entre un dispositif USB PD type C dit « source » et un dispositif USB PD type C dit « récepteur ».
Le dispositif source est capable d’adapter la valeur de la tension d’alimentation dans une plage de 0 à 20 volts.
La figure 1 illustre schématiquement un exemple d’un système SYS1 USB PD type C connu de l’état de la technique.
Le système SYS1 comporte un dispositif source DSI USB type
C couplé à un dispositif récepteur DR USB type C via un câble CBL
USB type C. Le dispositif source DSI est relié à un réseau R d’alimentation électrique, par exemple un réseau d’alimentation électrique de tension alternative.
Le dispositif source DSI et le dispositif récepteur DR comprennent au moins chacun une broche de configuration de canal CCI et au moins une broche de tension d’alimentation de sortie VBUS1 et au moins une broche de masse GND, les broches de même nature étant reliées entre elles par le câble CBL.
Le dispositif source DSI comprend un convertisseur de puissance électrique 1 du type alternatif/continu (AC/DC), dont une entrée El est reliée au réseau d’alimentation électrique R et une sortie SI est reliée à une ligne d’alimentation ALIM portée à une tension V BUS1. La ligne d’alimentation est reliée à la broche VBUS1 du dispositif source DS. Une entrée de commande Ecl du convertisseur de puissance 1 est reliée à une sortie S3 d’un dispositif de rétroaction 3. Une entrée E3 du dispositif de rétroaction 3 est reliée à la sortie SI du convertisseur de puissance 1 et une entrée Ec3 de commande est reliée à une sortie S23 d’un contrôleur d’alimentation 2.
Une entrée E2 du contrôleur d’alimentation 2 est reliée à la broche CCI du dispositif source DSI. Un condensateur Cl est relié d’une part à la sortie SI du convertisseur de puissance 1 et l’entrée E3 du dispositif de rétroaction, et d’autre part, à la masse GND. En parallèle du condensateur Cl sont reliés entre la ligne d’alimentation ALIM et la masse GND des moyens de décharge DECH1 et DECH2. Un condensateur C2 est relié entre la ligne d’alimentation ALIM et la masse GND. Les dispositifs de décharge DECH1 et DECH2 sont commandés respectivement par des signaux délivrés à des sorties S21 et S22 du contrôleur d’alimentation 2 et déchargent respectivement les condensateurs Cl et C2.
Le contrôleur d’alimentation 2 comprend un premier module
MD1 couplé aux sorties S21 et S22 configuré pour délivrer un signal de décharge des condensateurs Cl et C2, et un deuxième module MD2 couplé à la sortie S23 et configuré pour délivrer un nouveau signal de consigne correspondant à la nouvelle tension délivrée par le convertisseur de puissance 1.
Les moyens de décharge DECH1 et DECH2 peuvent comporter des transistors, notamment des transistors NMOS ou PMOS et des impédances résistives.
Le dispositif de rétroaction 3 peut notamment comporter un pont diviseur de tension à résistances variables, une source de courant commandable, un dispositif d’opto-couplage ou une boucle de régulation connus de l’homme du métier.
Lorsque le dispositif récepteur DR requiert une puissance d’alimentation inférieure à celle délivrée par le dispositif source DSI, la norme USB Power Delivery impose que la tension d’alimentation VBUSl ne soit pas inférieure à une tension seuil Vmin spécifiée par les spécifications USB PD et dépendante de la tension d’alimentation nominale du dispositif récepteur DR. Si la tension d’alimentation
V BUSl est inférieure à la tension prédéfinie Vmin, le dispositif récepteur peut cesser de fonctionner de façon fortuite et causer des dommages à l’utilisateur, notamment des pertes de données dans le cas d’un dispositif de stockage de données. La valeur de cette tension seuil est par exemple de 4.75 volts pour une tension d’alimentation nominale du dispositif récepteur DR de 5 volts.
Un dialogue s’établit entre le dispositif récepteur DR et le dispositif source DSI à travers la broche de configuration de canal CCI dans laquelle circule un signal S CCl. Le dispositif récepteur DR transmet la nouvelle valeur VBUSb de la tension d’alimentation
V BUSl inférieure à la valeur actuelle V BUSa de la tension d’alimentation VBUSl au contrôleur d’alimentation 2. Celui-ci accuse réception de la nouvelle valeur V BUSb de V BUSl. Puis simultanément le module MD1 du contrôleur d’alimentation 2 pilote les moyens de décharge DECH1 et DECH2 de façon à décharger les condensateurs Cl et C2, et le module MD2 du contrôleur d’alimentation 2 émet un signal de commande à destination du dispositif de rétraction 3 correspondant à la consigne de tension d’alimentation VBUSb destinée au convertisseur de puissance 1.
Pendant le changement de consigne au sein du dispositif de rétroaction 3, le convertisseur de puissance 1 n’est plus sollicité : il ne délivre plus de puissance à la ligne d’alimentation ALIM ni au dispositif de rétraction 3.
Par conséquent le convertisseur de puissance 1 bascule en mode veille permettant des économies d’énergie.
La valeur de la tension VBUSl diminue. Dans le cas où la tension d’alimentation V BUSl chute sous la valeur de tension souhaitée V BUSb, le convertisseur de puissance 1 redémarre et passe en mode actif.
Pendant cette phase de redémarrage du convertisseur de puissance 1, les capacités Cl et C2 sont déchargées par les moyens de décharge DECH1 et DECH2.
Dans certains cas la tension d’alimentation V BUSl peut chuter en-dessous de à la tension seuil Vmin.
La figure 2 montre l’évolution de la tension d’alimentation V BUSl lors de la diminution de cette tension de V BUSa à V BUSb, le signal de commande S CC1 et la tension de décharge V DECH1 aux bornes du dispositif de décharge DECH1 selon l’état de la technique, dans le cas où la tension d’alimentation V BUSl chute en-dessous de à la tension seuil Vmin. On observe que la tension V BUSl est inférieure au seuil prédéfini Vmin.
Un dispositif de surveillance peut contrôler l’activité du convertisseur de puissance 1 de telle sorte qu’il ne bascule pas en mode veille. Cependant, l’implémentation d’un tel dispositif nécessite des éléments supplémentaires, notamment une horloge (« timer » en anglais). Ces éléments augmentent la complexité du dispositif source, la consommation de puissance et dépendent de la nature du convertisseur de puissance 1.
Une autre solution connue de l’état de la technique comprend un dispositif de contrôle de décharge des condensateurs Cl et C2 qui compare la tension d’alimentation V BUSl à une tension de référence et stoppe la décharge des condensateurs Cl et C2 dès que la tension d’alimentation V BUSl a atteint la valeur de référence.
Cependant cette solution requiert également des composants supplémentaires, notamment un comparateur précis, et une mise au point complexe du dispositif de contrôle de décharge.
Il existe un besoin que , lors d’une phase de diminution de la tension d’alimentation produite par un dispositif source USB PD, celle-ci reste supérieure à une valeur de tension d’alimentation seuil prédéterminée en rajoutant très peu d’éléments par rapport à un dispositif source USB PD connu de l’état de la technique.
Selon des modes de mises en œuvre et de réalisation, il est avantageusement proposé de transmettre un signal de changement de consigne de tension d’alimentation avec un retard par rapport au signal de pilotage des dispositifs de décharge, ce qui permet de baisser la tension d’alimentation lorsque le convertisseur de puissance est sollicité en courant par le dispositif de rétroaction.
Selon un aspect, il est proposé un procédé de gestion de la tension d’alimentation sur une broche d’alimentation de sortie d’un dispositif source USB type C comprenant un convertisseur de puissance du type alternatif/continu délivrant ladite tension d’alimentation, le dispositif source étant couplé à un dispositif récepteur, comprenant en réponse à une demande de diminution de la tension d’alimentation par le dispositif récepteur, une décharge d’un réseau capacitif couplé au convertisseur de puissance, et une délivrance au convertisseur de puissance d’un nouveau signal de consigne correspondant à la nouvelle tension délivrée, dans lequel on retarde la délivrance du nouveau signal de consigne par rapport à l’instant de début de décharge du réseau capacitif d’un retard choisi.
Selon un mode de mise œuvre, le convertisseur de puissance possède un mode veille et un mode actif, le passage du mode veille au mode actif prenant un temps de redémarrage, la valeur du retard est fixe et au moins égale à ce temps de redémarrage.
Selon un aspect, il est proposé un dispositif de gestion de la tension d’alimentation sur une broche d’alimentation de sortie d’un dispositif source USB type C comprenant un convertisseur de puissance du type alternatif/continu délivrant ladite tension d’alimentation, le dispositif source étant apte à alimenter un dispositif récepteur, un contrôleur d’alimentation comportant un premier module configuré pour délivrer un signal de décharge d’un réseau capacitif couplé au convertisseur de puissance et un deuxième module configuré pour délivrer, simultanément au signal de décharge, un nouveau signal de consigne correspondant à la nouvelle tension délivrée à destination d’une entrée de commande du convertisseur de puissance, et des moyens de retard couplés entre une sortie du deuxième module et ladite entrée de commande.
Avantageusement, le convertisseur de puissance possède un mode veille et un mode actif, le passage du mode veille au mode actif prenant un temps de redémarrage, les moyens de retard étant configurés pour retarder la délivrance d’un signal d’une durée au moins égale à ce temps de redémarrage.
De préférence, le dispositif comprend en outre un moyen de rétroaction relié entre les moyens de retard et le convertisseur de puissance.
Avantageusement, le contrôleur d’alimentation comporte au moins une partie des moyens de retard.
Les moyens de retard peuvent être en dehors, partiellement ou complètement incorporés dans le contrôleur d’alimentation.
Bien qu’il soit possible d’utiliser d’autres dispositifs tels qu’une ligne de retard ou un convertisseur analogique/digital connu par l’homme du métier sous « DAC » (Digital Analog Converter en anglais), il est particulièrement avantageux d’utiliser le contrôleur d’alimentation. Cela permet un gain de place et de consommation de puissance, ainsi qu’une complexité moindre du dispositif source.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée de modes de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1, précédemment décrite, illustre un système USB type C ;
- la figure 2, précédemment décrite, illustre l’évolution de la tension d’alimentation du dispositif récepteur selon l’état de la technique ; et
- les figures 3 à 6 illustrent schématiquement des modes de mise en œuvre et de réalisation de l’invention.
On se réfère à la figure 3 qui représente un exemple d’un mode de réalisation d’un système SYS2 USB PD type C.
Le système SYS2 comporte un dispositif source DS2 USB type C couplé au dispositif récepteur DR USB type C via le câble CBL USB type C. Le dispositif source DS2 est relié au réseau R d’alimentation électrique de tension alternative.
Le dispositif source DS2 comprend au moins une broche de configuration de canal CC2 et au moins une broche de tension d’alimentation de sortie VBUS2 et au moins une broche de masse GND, les broches de même nature étant reliées aux broches du dispositif récepteur DR par le câble CBL.
Un signal S CC2 circule dans la broche de configuration de canal CC2.
Le dispositif source DS2 comprend le convertisseur de puissance électrique 1 du type alternatif/continu (AC/DC), le réseau d’alimentation électrique R, la ligne d’alimentation ALIM dans laquelle circule une tension VBUS2, un moyen de rétroaction comprenant le dispositif de rétroaction 3, le contrôleur d’alimentation 2 comprenant le premier module MD1 et le second module MD2, les condensateurs Cl et C2 et les moyens de décharges DECH1 et DECH2. Ces éléments sont reliés entre eux comme décrit précédemment en référence à la figure 1.
Le dispositif source DS2 comprend en outre des moyens 4 configurés pour maintenir le signal de consigne S CONS du dispositif de rétroaction 3 dans son état antérieur à l’activation des moyens de décharge DECH1 et DECH2 pendant une durée Tdech d’activation des moyens de décharge et de délivrance du signal de changement de consigne du dispositif de rétroaction 3 à l’issu de la durée Tdech.
Le convertisseur de puissance 1 possède un mode veille et un mode actif, le passage du mode veille au mode actif prend un temps de redémarrage.
La durée Tdech est au moins égale à la durée nécessaire au redémarrage du convertisseur de puissance 1 de type alternatif/continu (AC/DC). La durée Tdech est parfois spécifiée dans les spécifications techniques du convertisseur de puissance 1. Dans tous les cas l’homme du métier saura déterminer par expérimentation la durée Tdech. Elle est choisie par exemple dans un intervalle de 1 à 16 ms.
La durée Tdech est fixe et ne dépend pas du niveau de tension V BUS et de la tension de consigne.
Les moyens de retard 4 sont couplés entre la sortie S23 du deuxième module MD2 et l’entrée Ec3 du dispositif de rétroaction 3.
Les moyens de retard 4 sont configurés pour retarder la délivrance d’un signal d’une durée Tdech.
Le premier module MD1 du contrôleur d’alimentation 2 est configuré pour délivrer un signal de décharge du réseau capacitif comprenant les condensateurs Cl et C2 couplé au convertisseur de puissance 1 et le deuxième module MD2 est configuré pour délivrer, simultanément au signal de décharge, un nouveau signal de consigne correspondant à la nouvelle tension délivrée à destination l’entrée de commande Ecl du convertisseur de puissance 1.
Le dispositif source DS2 comprend autant de moyens de retard 4 que d’entrées de commande du dispositif de rétroaction 3 reliées au contrôleur d’alimentation 2. Afin d’améliorer la clarté de l’exposé d’un mode de réalisation d’un système SYS2 USB PD type C, seule l’entrée de commande Ec3 du dispositif de rétroaction 3 est représentée, reliée à des moyens de retard 4.
Les moyens de retard 4 peuvent être en dehors, partiellement ou complètement incorporés dans le contrôleur d’alimentation 2.
Ils peuvent comprendre une ligne de retard, un convertisseur numérique analogique ou être incorporés partiellement ou complètement dans une partie du contrôleur d’alimentation 2. Ces dispositifs sont bien connus de l’homme du métier. De préférence le contrôleur d’alimentation 2 comporte au moins une partie des moyens de retard 4 permettant ainsi un gain de place et de consommation de puissance.
Un exemple de contrôleur d’alimentation incorporant les moyens de retard 4 est décrit à la figure 4.
On reconnaît le module MD1 relié aux sortie S21 et S22, et le module MD2 reliés à la sortie S23. Les moyens de retard 4 sont reliés entre le module MD2 et la sortie S23.
Un exemple de procédé de baisse de la tension d’alimentation V BUS délivrée par le dispositif source DS2 d’un dispositif récepteur DR est à présent décrit.
Les éléments identiques à ceux décrits précédemment sont identifiés par les mêmes références numériques.
La figure 5 illustre un logigramme illustrant les différentes étapes conduisant à l’abaissement de la tension V BUS2 depuis la valeur de tension d’alimentation VBUSa vers une valeur de tension d’alimentation VBUSb inférieure à la valeur V BUSa. La valeur VBUSb est requise pour le bon fonctionnement du dispositif récepteur DR.
La valeur de la tension d’alimentation est donc initialement égale à V BUSa par exemple 15 volts.
Dans une première étape 1, le dispositif récepteur DR transmet un signal S CC2 comportant une demande de diminution de la tension d’alimentation et la valeur V BUSb, par exemple 10 volts, au contrôleur d’alimentation 2 du dispositif source DS2.
Puis à l’étape 2, le contrôleur d’alimentation 2 du dispositif source DS2 transmet au dispositif récepteur DR un signal S CC2 comportant une confirmation de mise en œuvre de la baisse de la tension d’alimentation V BUS2 depuis la valeur V BUSa vers la valeur V BUSb.
A l’étape 3 d’une durée Tdech, le premier module MD1 du contrôleur d’alimentation 2 active les moyens de décharge DECH1 et DECH2 de telle sorte que les condensateurs Cl et C2 se déchargent et le deuxième module MD2 du contrôleur d’alimentation 2 délivre simultanément aux moyens de retard 4 un nouveau signal de consigne correspondant à la nouvelle tension délivrée VBUSb. Pendant cette étape le convertisseur de puissance 1, qui a pour consigne de fournir la tension d’alimentation de valeur VBUSa, fournit la tension d’alimentation V BUSa pour compenser la chute de tension de la tension d’alimentation VBUS2, par conséquent le convertisseur de puissance 1 est actif et ne bascule pas en mode veille.
A l’issu de cette étape les condensateurs Cl et C2 ont été déchargés pendant la durée Tdech et le convertisseur de puissance 1 délivre la tension d’alimentation de valeur V BUSa.
La valeur choisie de Tdech impose que la tension V BUS2 diminue mais reste supérieure à la tension seuil Vmin.
Puis à l’étape 4, à l’issue de la durée de décharge Tdech, les moyens de décharge DECH1 et DECH2 sont désactivés. Les capacités Cl et C2 sont partiellement déchargées et la tension V BUS2 a diminué.
Les moyens de retard 4 délivrent au convertisseur de puissance 1 par l’intermédiaire du dispositif de rétroaction 3 la nouvelle tension d’alimentation V BUSb.
La nouvelle tension d’alimentation V BUSb est transmise avec un retard de durée Tdech par rapport à l’instant de début de décharge des condensateurs Cl et C2.
En d’autres termes, on retarde la délivrance du nouveau signal de consigne correspondant à la nouvelle tension délivrée V BUSb par rapport à l’instant de début de décharge du réseau capacitif comprenant les capacités Cl et C2 du retard choisi Tdech.
Le dispositif de rétraction 3 ajuste sa consigne de telle sorte que le convertisseur de puissance 1 délivre la tension d’alimentation VBUSb.
La ligne d’alimentation ALIM consomme la puissance délivrée par le convertisseur de puissance 1, celui-ci reste actif lors du changement de consigne et par conséquent ne bascule pas en mode veille.
A l’étape 5, le convertisseur de puissance 1 délivre la tension d’alimentation VBUSb et le contrôleur d’alimentation 20 transmet au dispositif récepteur DR un signal S CC2 comportant une confirmation que la ligne d’alimentation ALIM délivre la tension d’alimentation
VBUS2.
La figure 6 illustre l’évolution de la tension d’alimentation
V BUS2 lors de la diminution de cette tension de V BUSa à V BUSb, le signal de commande S CC2 et la tension de décharge V DECH2 aux bornes du moyen de décharge DECH1. On remarque que la tension VBUS2 reste supérieure à la tension de seuil Vmin lors du changement de la valeur de la tension V BUS2 contrairement à la tension V BUSl du système SYS1 selon l’état de la technique illustrée à la figure 2.
Avantageusement les moyens de retard 4 incorporés dans le dispositif source DS2 permettent de décaler dans le temps la décharge des capacités Cl et C2, et le changement de consigne du dispositif de rétraction 3. Les moyens de retard 4 créent un retard entre la décharge des capacités Cl et C2 et le changement de consigne du dispositif de rétraction 3.
Ce retard permet de solliciter le convertisseur de puissance 1 pendant toute la durée d’abaissement de la tension d’alimentation
V BUS2 délivrée par la ligne d’alimentation ALIM. Par conséquent, le convertisseur de puissance 1 reste actif et ne bascule pas en mode veille pendant toute cette durée.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de gestion de la tension d’alimentation (V BUS2) sur une broche d’alimentation de sortie (VBUS2) d’un dispositif source (DS2) USB type C comprenant un convertisseur de puissance du type alternatif/continu (1) délivrant ladite tension d’alimentation (VBUS2), le dispositif source (DS2) étant couplé à un dispositif récepteur (DR), comprenant en réponse à une demande de diminution de la tension d’alimentation par le dispositif récepteur, une décharge d’un réseau capacitif (Cl, C2) couplé au convertisseur de puissance (1) , et une délivrance au convertisseur de puissance (1) d’un nouveau signal de consigne correspondant à la nouvelle tension délivrée, dans lequel on retarde la délivrance du nouveau signal de consigne par rapport à l’instant de début de décharge du réseau capacitif d’un retard (Tdech) choisi.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur de puissance (1) possède un mode veille et un mode actif, le passage du mode veille au mode actif prenant un temps de redémarrage, la valeur du retard (Tdech) est fixe et au moins égale à ce temps de redémarrage.
  3. 3. Dispositif de gestion de la tension d’alimentation (V BUS2) sur une broche d’alimentation de sortie (VBUS2) d’un dispositif source (DS2) USB type C comprenant un convertisseur de puissance du type alternatif/continu (1) délivrant ladite tension d’alimentation (V BUS2), le dispositif source (DS2) étant apte à alimenter un dispositif récepteur (DR), un contrôleur d’alimentation (2) comportant un premier module MD1 configuré pour délivrer un signal de décharge d’un réseau capacitif (Cl, C2) couplé au convertisseur de puissance et un deuxième module (MD2) configuré pour délivrer, simultanément au signal de décharge, un nouveau signal de consigne correspondant à la nouvelle tension délivrée à destination d’une entrée de commande (Ecl) du convertisseur de puissance, et des moyens de retard (4) couplés entre une sortie (S23) du deuxième module (MD2) et ladite entrée de commande (Ecl).
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le convertisseur de puissance (1) possède un mode veille et un mode actif, le passage du mode veille au mode actif prenant un temps de redémarrage, les moyens de retard (4) étant configurés pour retarder la
  5. 5 délivrance d’un signal d’une durée (Tdech) au moins égale à ce temps de redémarrage.
    5. Dispositif selon l’une des revendications 3 et 4, comprenant en outre un moyen de rétroaction (3) relié entre les moyens de retard (4) et le convertisseur de puissance (2).
  6. 10 6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel le contrôleur d’alimentation (2) comporte au moins une partie des moyens de retard (4).
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