Usb power delivery


100 ватт по USB или как работает Power Delivery / Habr

Почитав вот этот пост и сопутствующую ему дискуссию, я решил попробовать внести ясность в то, что такое USB Power Delivery и как это работает на самом деле. К сожалению у меня сложилось впечатление, что большинство участников дискуссии воспринимают 100 ватт по USB слишком буквально, и не до конца понимают что за этим стоит на уровне схематики и протоколов.

Итак, кратко – основные пункты:

  • USB PD определяет 5 стандартных профилей по электропитанию – до [email protected]А, до [email protected]А, до [email protected]А, до [email protected]А и до [email protected]А
  • Кабели и порты для Power Delivery сертифицируются и имеют дополнительные пины в разьеме
  • Тип кабеля и его соответствие профилю определяются автоматически через дополнительные пины и определение типа USB коннектора (микро, стандарт, A, B и т.д.)
  • Обычные USB кабели (не Power Delivery) сертифицируются только по первому профилю до [email protected]
  • При подключении распределяются роли, между тем кто дает ток (Source / Источник ) и кто потребляет (Sink / Приемник)
  • Источник и Приемник обмениваются сообщениями по специальному протоколу, который работает параллельно традиционному USB
  • В качестве физического носителя протокол использует пару – VBus / GND. Именно поэтому Power Delivery не зависит от основного USB протокола и обратно совместим с USB 2.0 и 3.0
  • Используя сообщения, источник и приемник могут в любой момент времени меняться ролями, изменять силу тока и/или напряжение, уходить в спячку или просыпаться, и т.д.
  • По желанию устройства могут поддерживать управление PD через традиционные USB запросы, дескрипторы и т.д.

Под катом — детали.

О кобелях Про кабели

USB Power Delivery работает с шестью типами коннекторов:

Соответственно попарно допустимы следующие виды соединений

  1. USB 3.0 PD Standard-A <-> USB 3.0 PD Standard-B plug
  2. USB 3.0 PD Standard-A <-> USB 3.0 PD Micro-B plug
  3. USB 3.0 PD Micro-A <-> USB 3.0 PD Micro-B plug
  4. USB 3.0 PD Micro-A <-> USB 3.0 PD Standard-B plug
  5. USB 2.0 PD Standard-A <-> USB 2.0 PD Standard-B plug
  6. USB 2.0 PD Standard-A <-> USB 2.0 PD Micro-B plug
  7. USB 2.0 PD Micro-A <-> USB 2.0 PD Micro-B plug
  8. USB 2.0 PD Micro-A <-> USB 2.0 PD Standard-B plug

Отдельно стоит заметить что спецификация прямо запрещает извращения с несколькими коннекторами на одной из сторон соединительного кабеля, что достаточно логично, учитывая токи до 100 ватт. С другой стороны использование переходников и адаптеров не возбраняется при условии что они соответствуют профилю электропитания, и не закорачивают экран кабеля на его землю.
Про порты

После сертификации USB PD порты маркируются следующим образом:

Данное лого информирует о версии USB (2.0 или 3.0 SuperSpeed), а также о профилях электропитания которые поддерживает данный порт. Значение ”I” означает потребляемый профиль, необходимый для полноценного функционирования устройства, а значение «О» то какой профиль порт может предоставить. Примеры маркировки портов:

  • Первый порт поддерживает USB2. Он может давать питание по Профилю 1 ( [email protected]) и использует Профиль 3 ( [email protected] или [email protected]) для полноценного функционирования. Например порт для планшета или нетбука.
  • Второй порт поддерживает USB2. Он может давать питание по Профилю 2 ([email protected] или [email protected]) и использует Профиль 4 ( [email protected] или [email protected] или [email protected]) для полноценного функционирования. Например порт для ноутбука или лаптопа.
  • Третий порт поддерживает USB3. Он только дает питание по Профилю 1 ([email protected]). Сам он по VBus не запитывается. Например порт десктопа, монитора, телевизора, и т.д.
  • Четвертый порт поддерживает USB3. Как и в первом примере он может давать питание по Профилю 1 ([email protected]) и сам требует питание по Профилю 3 для полноценного функционирования ([email protected] или [email protected]). Пример придумайте сами :)

Физический канал

USB PD определяет принципиальную схему физической организации соединения посредством кабеля следующим образом:

Как видно из схемы, USB PD также требует чтобы и в источнике и в приемнике были реализованы схемы определения падения/скачка напряжения, а так же методы определения разряженной батареи для случаев когда одна из сторон не может запитаться от своего внутреннего источника.

В качестве алгоритмов для определения разряженной батареи предлагаются следующее. Если одна из сторон выставляет сопротивление в 1кОм между экраном и землей, это свидетельствует о том что ее батарея разряжена. В такой ситуации другая сторона берет на себя роль источника и начинает отдавать минимальные 5В, чтобы дать через VBus питание противной стороне и начать обмен сообщениями по протоколу USB PD.

Как уже упоминалось ранее, для обмена сообщениями USB PD протокол использует линию VBus. Ниже приведена блок-схема, определяющая ключевые функциональные элементы передатчика:

И соответственно такая же блок-схема для приемника:

Сериализированная кодировка 4b5b и декодировка 5b4b подразумевает что все данные по шине, кроме преамбулы пакета, передаются пятибитными последовательностями в соответствии c таблицей кодировки, определяемой стандартом. Каждая такая последовательность кодирует либо одну из 16 цифр (0x00..0x0F), либо сигналы начала / синхронизации / сброса и конца пакета. Таким образом передача одного байта занимает 10 бит, 16-битного слова – 20 бит и 32-битного двойного слова – 40 бит и т.д.

Логический канал

USB PD протокол основывается на последовательных парах типа запрос-ответ. Запросы и ответы пересылаются с использованием пакетов. Пакеты состоят из преамбулы (фаза подготовки к передаче), начала пакета SOP (три сигнала Sync-1 и завершающий Sync-2 в кодировке 4b5b), заголовок, 0..N байт полезной нагрузки, контрольной суммы (CRC-32) и сигнала конца пакета (одиночный сигнал EOP):

Как было упомянуто выше, преамбула не кодируется в 4b5b. SOP, CRC и EOP кодируются 4b5b на физическом уровне, заголовок и полезная нагрузка кодируются на уровне логического протокола.
Сброс шины производится путем посылки трех сигналов RST1 и завершающего сигнала RST2, в соответствии с кодировкой 4b5b.

Протокол

Все USB PD сообщения состоят из заголовка и порции данных произвольной длины. Сообщения либо генерируются на уровне логического протокола и затем пересылаются на физический уровень, либо принимаются на физическом уровне и затем пересылаются на уровень логического протокола.

Заголовок сообщения имеет фиксированную длину 16 бит и состоит из следующих полей:

Сообщения бывают двух видов – управляющие (control) и информационные (data).

Управляющие сообщения

Контрольные сообщения состоят только из заголовка и CRC. Количество объектов данных для таких сообщений всегда устанавливается в 0. Типы управляющих сообщений USB PD представлены в таблице ниже:

Отдельно следует упомянуть что поля вида tSourceActivity, tSinkRequest и т.д. — это константы, значения которых глобально заданы самой спецификацией в отдельной главе. Сделано это потому что они определялись опытным путем в результате прототипирования, и найденные оптимальные значения просто подставили в отдельную главу, чтобы не рыскать по всей спецификации.

Информационные сообщения

Данный вид сообщений предназначен для получения детальной информации об источнике или приемнике, а также для передачи запрашиваемых характеристик электропитания – сила тока, напряжение и т.д. Информационные сообщения всегда содержат ненулевое значение в поле ”Number of Data Objects”.

Спецификация определяет четыре вида информационных сообщений:

  • Power Data Object (PDO) – используется для описания характеристик порта источника или требований приемника
  • Request Data Object (RDO) – используется портом приемника для установки соглашения по характеристикам электропитания
  • BIST (Built In Self Test) Data Object (BDO) – используется для тестирования подключения на соответствие требованиям спецификации для физического соединения
  • Vendor Data Object (VDO) – используется для передачи нестандартной, дополнительной или иной проприетарной информации определяемой производителем оборудования и выходящей за рамки спецификации USB PD.

Виды информационных сообщений кодируются в поле ”Message Type” заголовка сообщения следующим образом:
Сообщение о характеристиках

Порт источника всегда обязан сообщать свои характеристики приемнику путем передачи серии 32-битных объектов PDO. Информация переданная посредством этих объектов используется для определения возможностей источника, в том числе включая возможность работать в режиме приемника.
Сообщения о характеристиках представляются в виде одного или нескольких объектов следующих за заголовком:

Сообщения о характеристиках передаются:

  • От источника к приемнику через определенный временной интервал, при непосредственном подключении кабеля. Источник должен продолжать посылать сообщения на протяжении одной минуты после подключения до тех пор пока не будет установлено успешное соглашение по электропитанию, либо приемник не вернет RDO с флагом Capability Mismatch – несоответствие характеристик.
  • От источника к приемнику с целью принудительного переустановления соглашения по электропитанию или смены характеристик.
  • В ответ на управляющие сообщения Get_Source_Cap или Get_Sink_Cap

Каждый объект PDO должен характеризовать отдельный элемент электропитания, входящего в состав устройства на максимально допустимых для него значениях напряжения. Например, встроенная батарея 2.8-4.1V, стационарный блок питания 12V и т.д. Все элементы электропитания должны поддерживать как минимум 5V и соответственно каждый источник должет иметь хотя бы один PDO соответствующий профилю с характеристиками 5V.

PDO соответствующий элементу с постоянным типом электропитания 5V всегда должен идти первым в цепочке объектов.

Структура объекта PDO:

Для каждого типа электропитания предлагаются различные характеристики.

Постоянный тип электропитания, напряжение постоянное. Источник должен иметь хотя бы один такой элемент:

Программируемый тип электропитания, напряжение может регулироваться путем запросов в пределах между минимальным и максимальным:

Вариативный тип электропитания, напряжение может изменяться в заданных пределах абсолютного минимума и абсолютного максимума, но не может регулироваться:

Батарея, данный тип используется для обозначения батарей которые могут быть напрямую подключены к линии VBus:

Сообщение о запросе

Сообщения о запросах передаются приемником к источнику для передачи своих требований в фазе установления соглашения по электропитанию. Данное сообщение посылается в ответ на сообщение о характеристиках и должно содержать один и только один объект запроса данных – RDO, который описывает информацию о требуемых характеристиках электропитания для приемника.

Данный запрос имеет два типа, в зависимости от адресуемого типа элемента электропитания, переданного в сообщении о характеристиках источника. Для запросов к элементу электропитания постоянного или вариативного типа, либо батареи поля ”Operating Current / Power” и ”Total Current / Prog Voltage” интерпретируются одним путем, а для запросов к элементу программируемого типа – другим путем, так как в этом случае запрашивается и напряжение, и сила тока.

Структура объекта RDO:

На мой взгляд данной информации достаточно, чтобы получить хорошее представление о принципах работы USB Power Delivery. Я сознательно не стал углубляться в дебри, связанные с таймерами, счетчиками и обработкой ошибок.

Взаимодействие с традиционным USB

Как уже было упомянуто выше, Power Delivery – это самостоятельная подсистема, которая функционирует параллельно и независимо от канонического USB. Тем не менее, в случаях когда устройства реализуют оба протокола – и USB и Power Delivery, спецификация рекомендует реализацию т.н. System Policy Manager или SPM, компонента который может контролировать оборудование USB PD посредством традиционных запросов USB.

Для систем с поддержкой SPM, спецификация рекомендует предоставить PD информацию посредством специальных типов USB дескрипторов. Не считаю нужным в них детально углубляться, просто перечислю их названия:

  • Power Delivery Capability Descriptor, является составной частью BOS дескриптора и сообщает о том поддерживает ли устройство зарядку батареи через USB, поддерживает ли оно стандарт USB PD, может ли оно выступать источником питания, и может ли оно быть приемником. Кроме того данный дескриптор содержит информацию о количестве портов-источников, портов-приемников и версии поддерживаемых спецификаций USB Battery Charging и Power Delivery.
  • Battery Info Capability Descriptor, требуется для всех устройств заявивших батарею в качестве одного из элементов электропитания. Содержит информацию о названии, серийном номере и производителе батареи, ее емкости, а также о пороговых значениях тока в заряженном и разряженом состоянии.
  • PD Consumer Port Capability Descriptor, требуется для всех устройств которые заявили поддержку хотя бы одно порта-приемника. Содержит информацию о поддержке стандартов Power Delivery и Battery Charging, минимальное и максимальное напряжение, операционную мощность, максимальную пиковую мощность и максимальное время, которое оно может эту пиковую мощность потреблять
  • PD Provider Port Capability Descriptor, требуется для всех устройств которые заявили поддержку хотя бы одного порта-источника питания. Содержит информацию о поддержке стандартов Power Delivery и Battery Charging, а так же список всех PDO объектов, характеризующих элементы электропитания доступных устройству.
  • PD Power Requirement Descriptor, требуется для всех устройств-приемников поддерживающих USB PD. Каждое устройство должно возвращать хотя бы один такой дескриптор в составе дескриптора конфигурации. Этот дескриптор должен идти сразу после первого дескриптора интерфейса. В случае когда их несколько, он должен идти после каждого первого дескриптора интерфейса функции, если используется IAD, или в случае композитного устройства без IAD, непосредственно после каждого дескриптора интерфейса, и до endpoint дескрипторов.

Для управления USB Power Delivery через запросы USB, в случае если устройство поддерживает Power Delivery класс, спецификация предлагает команды, которые могут использоваться для передачи PD запросов и объектов посредством USB, то есть через шину данных. Сводная таблица дана ниже:
Заключение

Надеюсь что данным постом я подогрел интерес публики к USB Power Delivery. Скромно замечу, что автор имеет непосредственное отношение к данной спецификации, поэтому готов ответить на любые вопросы по Power Delivery в частности и USB в общем.

С уважением.

habr.com

USB Power Delivery — что это и как работает?

Впервые о USB Power Delivery заговорили в 2013 году. Многие ожидали, что данный стандарт скоро полностью перевернет мир смартфонов и других электронных гаджетов и бытовой техники.

Первый USB-порт был придуман еще в прошлом веке. Именно тогда было принято решение заменить большое количество портов, например, PS/2, LPT и другие, на один универсальный — Universal Serial Bus. В последующем появились USB 2.0 и USB 3.0 — их основным нововведением стала повышенная скорость передачи данных, которую удалось увеличить во много раз.

На данный момент одними из самых популярных и часто используемых портов стали USB 3.0 и Thunderbolt (на технике Apple), который умеет передавать до 10 Вт энергии. Также часто можно встретить смартфоны и планшеты с разъемами Type-C, которые обеспечивают мощность до 15 Вт.

Технология Power Delivery может обеспечить передачу энергии до 100 Вт — такого количества энергии может хватить для любых гаджетов, включая смартфоны, планшеты, ноутбуки и компьютерную периферию (мониторы, принтеры). Таким образом, при помощи одного обычного USB-кабеля появится возможность заряжать и подключать все электронные устройства от источника заряда, которым может выступить смартфон, ноутбук или внешний аккумулятор.

Преимущества стандарта USB Power Delivery

Использовать новую технологию можно для зарядки и подключения мобильных гаджетов, ноутбуков и мелкой бытовой техники, в том числе телевизоров. Стандарт USB PD энергоэффективен, сочетается с зелеными источниками энергии и может питаться от солнечных батарей и ветро-генераторов.

Еще одним преимуществом технологии является замена всех блоков питания, проводов и USB-кабелей на один универсальный microUSB, который подойдет практически ко всей технике. Отметим и другой несомненный плюс — простота в замене сломавшегося зарядного устройства. Достаточно просто приобрести подходящий кабель. USB PD совместим с современными стандартами USB 2.0 и 3.0. Есть и еще одна интересная функция — возможность передачи энергии в любом направлении. Благодаря этому можно будет не только заряжать смартфон от ноутбука, но и наоборот. С кабелем никаких действий делать не придется.

Перспективы Power Delivery

В идеале, порты с поддержкой Power Delivery могут появиться в каждом доме — на стенах, розетках и рабочих столах. Таким образом можно будет зарядить смартфон и другой гаджет, подключив кабель в специальный разъем без каких-либо дополнительных блоков питания. Сам кабель будет обычным — с одной стороны USB 3.0, с другой — microUSB или Type-C.

Гаджеты с Power Delivery

Одним из первых устройств с данным портом стал ноутбук, представленный в рамках выставки CES 2013. При помощи USB-кабеля он был подключен к монитору. В результате ноутбук одновременно заряжался от монитора и в то же время передавал в обратном направлении HD-видео — все это по одному USB-проводу.

В 2013 году повсеместное использование технологии USB PD прогнозировали в ближайшие несколько лет, но этого не произошло. На данный момент похвастаться наличием подобного порта на устройстве может минимальное количество компаний. В их число входит производитель из Купертино — компания Apple. В 2017 году она встроила поддержку Power Delivery во все основные продукты.

Загрузка...

androidlime.ru

USB Power Delivery и Qualcomm Quick Charge

Перенесемся мысленно на десять лет назад: на рынке продаются первые iPhone, различные коммуникаторы на Windows Mobile и первые смартфоны на Android. Все они имеют аккумуляторы емкостью в 1200-1500 мАч и зарядки на ~1 А и 5 В, которые позволяли полностью зарядить аккумулятор за полтора-два часа. С учетом того, что устройства того времени в массе своей как минимум спокойно доживали до вечера, а то и вообще жили больше суток — редко кто жаловался на долгое время зарядки. 

Но время шло, емкости аккумуляторов стали расти, время автономной работы — падать, а зарядки оставились такими же: все это в итоге привело к тому, что часто приходилось проводить часы рядом с розеткой, только чтобы смартфон дожил до вечера. И, разумеется, производители стали проблему решать: раз еще больше увеличить емкость аккумуляторов не получается, то нужно их быстрее заряжать — так и появились стандарты быстрой зарядки, о которых мы сегодня и поговорим.

USB Battery Charging Revision 1.2

Стандарт был принят консорциумом USB еще в 2011 году — то есть, его мог абсолютно бесплатно использовать любой производитель, оснащавший свое устройство USB-портом. При этом если стандартный USB 3.0 выдавал не более 900 мА при 5 В, то тут ток возрастает уже до 1.5 А — больше чем в полтора раза, что позволяет существенно сократить время зарядки. 

На деле же особо большого распространения он не получил: зачастую такой мощный USB-порт был лишь в топовых материнских платах и ноутбуках, и помечался он обычно красным цветом или значком молнии:

Увы — производители смартфонов все также продолжали класть в комплект зарядные устройства на 1 А и 5 В, то есть зарядки с Battery Charging 1.2 приходилось покупать отдельно. Но, в любом случае, это позволяло заряжать устройства ощутимо быстрее без вреда для них.

Qualcomm Quick Charge 1.0-2.0

Пожалуй, самый известный стандарт быстрой зарядки, анонсированный Qualcomm в 2013 году. Версия 1.0 поддерживала только чипсет Snapdragon 600. Напряжение все также оставалось стандартным для USB —  5 вольт, а вот ток был поднят до 2 А — то есть, еще на треть больше, чем у BC 1.2. Особого распространения первая версия этого стандарта не получила, так что нет смысла на ней долго останавливаться.

QC 2.0 стал первым действительно популярным стандартном быстрой зарядки. Работал он с устройствами на Snapdragon 200, 208, 210, 212, 400, 410, 412, 415, 425, 610, 615, 616, 800, 801, 805, 808 и 810. Основное отличие от предыдущих стандартов — перестал расти ток, который теперь ограничен 2 А, а вот напряжение может повышаться аж до 12 В. Причина этому банальна: подавляющее большинство существующих на тот момент кабелей USB-microUSB поддерживали ток не более 2.4 А, в противном случае они могли начать перегреваться, что уже было опасно (как мы знаем, тепловые потери пропорциональны силе тока и квадрату сопротивления). Поэтому Qualcomm пошли другим путем — банально стали поднимать напряжение, и в итоге максимальная мощность теперь составляет 18 Вт (12 В и 1.67 А) против 10 Вт (5 В и 2 А) у первой версии QC.

Разумеется, для регулирования напряжения теперь использовались специальные контроллеры, которые должны были быть и в зарядке, и в самом смартфоне. «Общались» же они между собой с помощью контактов D+/D- в порте USB, и смартфон выбирал необходимое напряжение и силу тока. Если зарядное устройство не поддерживало QC (то есть не реагировало на специальное напряжение на контактах D+/D-), то зарядка шла стандартным током в 1 А при напряжении в 5 В.

Увы — с выходом QC 2.0 стали возникать первые проблемы: из-за достаточно высокой мощности в 18 Вт аккумуляторы начинали перегреваться, что негативно сказывалось на их сроке работы. Конечно, в стандарте был заложен безопасный диапазон температур, при выходе из которого быстрая зарядка отключалась, но производители зачастую закрывали на это глаза, дабы маркетологи могли радовать пользователей слоганами типа «80% за час».

Все стало еще хуже с выходом горячего Snapdragon 810: с учетом того, что при подключении к зарядке Android зачастую увеличивает фоновую активность (например, обновляются программы), что разогревает CPU, плюс еще и греется аккумулятор от быстрой зарядки — в итоге пользователи массово сталкивались с быстрой деградацией аккумуляторов и умиранием материнских плат от перегрева. Особенно часто это происходило с владельцами LG G4, Nexus 5x и Flex. Компания в ответ на жалобы порекомендовала использовать быструю зарядку только тогда, когда она нужна, а на ночь заряжать обычной медленной — очевидно, что пользователи такой ответ не оценили и подали на LG коллективный иск в суд.

Сама компания Qualcomm не называет время зарядки — она всего лишь говорит, что теперь она идет на 75% быстрее, чем с QC 1.0. Независимые же тесты показывают, что смартфон с аккумулятором на ~3000 мАч можно зарядить с помощью QC 2.0 на 50% примерно за 40 минут.

USB Power Delivery

В 2015 году стали массово появляться устройства с USB-C. Так как этот протокол может содержать в себе множество различных других, зачастую производители стали останавливаться на USB 2.0 или 3.0 — соответственно, никаких проблем с поддержкой QC 2.0 не было. 

Но дальше стало интереснее — консорциум USB создает стандарт Type-C 1.2, который поддерживает ток в 3 А при напряжении 5 В: например, именно такую быструю зарядку имели смартфоны Lumia 950 и 950XL. Казалось бы — все здорово, никаких проблем с QC быть не должно: ан нет, такие кабели внутри имеют специальную управляющую микросхему, которая может работать только при 5 В, а QC 2.0, как мы помним, может поднимать напряжение аж до 12 В. И так как в стандарте QC нет никакой проверки на наличии такой микросхемы в кабеле, все это может печально кончиться и для кабеля, и для смартфона.

Разумеется, Google не могла остаться в стороне, и официально порекомендовала отказаться производителям смартфонов использовать USB-C вместе с QC 2.0. Однако, что было ожидаемо, многие производители (например, OnePlus) заверили пользователей, что с их кабелями проблем не будет, ну а если у вас сгорел смартфон от использования стороннего кабеля — это, как говорится, уже ваши проблемы.

Дальше — еще «веселее»: дабы разграничить кабели, которые могут пропускать 3 А, 1.5 А и 1 А, консорциум USB решил встраивать в них резисторы на 10, 22 и 56 кОм соответственно. Но китайцы как обычно решили ставить в дешевые кабели резисторы только на 10 кОм — это привело к тому, что устройства с поддержкой USB-C 1.2 «понимает», что можно брать 3 А, и запрашивает их у зарядного устройства. Итог тут может быть абсолютно любой — в лучшем случае зарядка отдаст тот ток, который сможет (и вряд ли это будет 3 А), а худшем — просто сгорит, возможно повредив еще и подключенный смартфон.

Ближе к концу 2015 года консорциум USB выпускает спецификации стандарта Power Delivery 3.0, который в будущем, скорее всего, будут использовать все: так, он позволяет задать напряжение от 5 до 20 В и ток от 1.8 до 5 А, так что в итоге максимальная мощность может достигать целых 100 ватт — этого уже хватит для зарядки ноутбука, и многие современные решения типа Xiaomi Notebook или Apple MacBook уже его используют. При этом тип коннектора может быть любым: USB-C, microUSB, даже USB-A, а передача идти в обе стороны: то есть, можно от смартфона зарядить смартфон. При этом есть обратная совместимость с USB-C 1.2, то есть заряжать от зарядки с поддержкой PD ту же Lumia 950 можно. Все возможные комбинации зарядок доступны ниже:

Qualcomm Quick Charge 3.0-4.0

Разумеется, в компании понимали, что проблемы с перегревом нужно решать, и в 2016 году, с выходом Snapdragon 820/821, была представлена технология QC 3.0. Qualcomm перестала гнаться за мощностью — она все также осталась в пределах 18 Вт, зато теперь была гибкая настройка напряжения: если в версии 2.0 были жестко заданы 5, 9 или 12 В, то тут можно было изменять напряжение с шагом в 0.2 В в диапазоне 3.6-20 В. К тому же сами производители смартфонов теперь могли ограничить максимальное напряжение, например, на уровне 12 В. Плюсуя сюда то, что новые Snapdragon (поддерживаются 821, 820, 620, 618, 617 и 430) были все же холоднее провального 810-ого, в итоге можно считать, что проблема с перегревом была решена.

Увы — другая проблема, с USB-C, все еще осталась, так что использовать сторонние кабели для быстрой зарядки через этот порт все еще было рискованно. Что касается скорости зарядки, то компания обещает, что большая часть смартфонов с QC 3.0 зарядится до 70% за полчаса:

Стандарт QC 4.0 был представлен в конце 2016 года и решал множество проблем: во-первых, теперь его можно было использовать с любыми USB-C кабелями — разумеется, от них будет зависеть скорость зарядки, но все еще в любом случае она будет идти быстрее, чем со стандартными 1 А и 5 В. Вторая его особенность — полная совместимость с Power Delivery, так что сначала зарядка опрашивает подключенное устройство, поддерживает ли оно PD, и если нет — переключается на режим QC.

Спецификации стандарта QC 4.0 те же, что и у 3.0 — до 18 Вт при токе до 2 А и напряжении до 12 В, и до 27 Вт через стандарт PD. Поддерживаемые чипсеты — Snapdragon 630, 636, 835. По словам Qualcomm, новая технология позволит всего за 5 минут подзарядить устройство с аккумулятором емкостью 2750 мАч для 5 часов использования, а за 15 минут зарядить батарею с нуля на 50 %.

Технология QC 4+, представленная в 2017 году, сильно от 4.0 не отличается: так, технология Dual Charge позволяет разделить ток на два потока, что снижает температуру на 3 градуса и увеличивает скорость зарядки на 15%. Поддерживаемые чипсеты — Snapdragon 660, 670, 710, и 845.

Общая таблица всех версий QC выглядит так:

Обратная совместимость

Все версии QC, начиная с 2.0, являются обратно совместимыми: так, если телефон имеет более новую версию QC, чем зарядка, то будет использоваться протокол, который поддерживает зарядка, но с энергоэффективностью версии, которая используется в телефоне. Если же подключить смартфон с более старой версией QC к зарядке с более новой, то эффект будет полностью аналогичен использованию зарядки с той же версией QC, что и поддерживает устройство.

Совместимость Power Delivery с Quick Charge 2.0 и 3.0

Как я писал выше, официально ее нет, но на практике возможны различные варианты: так, есть смартфоны, типа того же Nexus 5x или 6p, которые поддерживают и PD, и QC — они в обоих случаях будут заряжаться быстро. Второй вариант — зарядное устройство и гаджет «не поймут» друг друга, и будет идти стандартная медленная зарядка с 1 А и 5 В, или же зарядка вовсе идти не будет. Но может быть и самый худший вариант: на устройство без поддержки PD подастся 3 А и 5 В (стандарт USB-C 1.2) из-за «неправильного» кабеля с резистором на 10 кОм, и тут уже ситуация будет непредсказуемой: стандарт QC с такими токами не работает, то есть смартфон может банально сгореть, а может просто откажется заряжаться. Поэтому если ваше устройство поддерживает QC 2.0 или 3.0 — очень тщательно выбирайте и кабель, и зарядное устройство.

В заключительной части статьи мы поговорим про быстрые зарядки от других производителей типа Apple, Huawei, Mediatek и прочих.

www.iguides.ru

USB Power Delivery - розетка будущего

USB Power Delivery — новая модификация стандарта USB, обновления в которой касаются в основном количества передаваемой энергии. Несмотря на такое, казалось бы, небольшое изменение, стандарт может оказать очень сильное влияние на повседневную жизнь.


Около двадцати лет назад, когда началась разработка первого USB, в основную задачу интерфейсу ставилась стандартизация способа подключения устройств к компьютеру. Большое количество портов (PS/2, LPT и др.) тогда было решено заменить одним универсальным портом (Universal Serial Bus). В последующих обновлениях, USB 2.0 и USB 3.0 основные изменения в основном касались скорости передачи данных, которая выросла в сотни раз. В то же время количество передаваемой энергии хоть и было увеличено, однако гораздо скромнее, всего в несколько раз.

На текущий момент как USB 3.0, так и один из его главных конкурентов, интерфейс Thunderbolt могут передавать максимум 10 Вт энергии. Этого достаточно для подзарядки планшетов, но наиболее требовательные из них заряжают батарею довольно долго и могли бы использовать более высокие токи. Через 1-2 года с USB PD это станет возможным, однако более быстрая зарядка планшетов это только начало.

 

Стандартизация

Всего пару лет назад каждый крупный производитель телефонов использовал проприетарный разъем для заряда устройств. За счет перехода на стандарт Micro USB от этой фрагментации уже удалось практически избавиться.

USB PD предлагает пойти дальше и стандартизировать разъем для питания всей небольшой электроники. Ограничением будет служить планка в 100 Вт, которые USB PD может обеспечить. Для чего хватит такого количества энергии? Отвечая кратко — для любой компьютерной периферии: жестких дисков, принтеров, мониторов, а также ноутбуков. Другими словами, уже через несколько лет во время поездки в другую страну с собой не понадобится больше брать блок питания для ноутбука и провода для заряда другой электроники. Достаточно будет взять с собой обычный USB-кабель, который станет универсальным способом передачи энергии к тому времени, и будет гораздо легче и компактнее любого блока питания для ноутбука.

AC / DC

На заре электрификации стран войну между постоянным током (DC) и переменным током (AC) выиграл именно последний. Изменение напряжения в больших пределах для AC тока возможно с гораздо меньшими потерями энергии, а для передачи выработанной на электростанции энергии на большие расстояния напряжение всегда поднимается, поскольку это ведет к снижению передаваемого тока и, как следствие, к снижению тепловых потерь. После передачи энергии до пункта назначения напряжения еще раз меняется, на этот раз снижается, в трансформаторах.

В то же время, большинство небольших электросхем в технике и компьютерах, а также стандарт USB используют DC ток. На текущий момент роль трансформаторов тока для небольшой электроники играют блоки питания, теряющие около 20% энергии, а то и более, во время преобразования. Помимо этого, БП работают постоянно после подключения к розетке, даже если не используются, именно поэтому они всегда теплые. Так что в плане энергоэффективности их использование мало оправдано.

Именно поэтому уже сейчас идут разговоры о том, что USB PD может стать основой для построения альтернативной системы энергообеспечения. Она не предназначена для замены обычных розеток, но может сосуществовать с ней и будет базироваться на «зеленой» энергии от солнечных элементов и ветро-генераторов. Дело в том, что ток, полученный от таких источников энергии, является постоянным, и для его преобразования в AC необходим инвертор. Однако зачем делать двойное преобразование (DC->AC->DC) с потерей энергии, если небольшая электроника и так использует DC ток? Лучше создать небольшую локальную более эффективную и независимую систему энергообеспечения на базе постоянного тока и USB PD.

 

Как будет выглядеть USB PD

Как будет выглядеть первая реализация USB PD, пока достоверно неизвестно, поэтому поговорим о том, каково видение этого стандарта разработчиками.

В идеале, порты USB PD со временем должны появиться на стенах, как и обычные розетки. Там, где нет доступа к источникам альтернативной энергии, это будут простые преобразователи AC-DC тока, однако в новых домах с источниками «зеленой» энергии должна использоваться отдельная линия электропередач, напрямую подключенная к коллекторам. На первый взгляд этот сюжет кажется немного фантастическим, однако если посмотреть в сторону автомобилестроителей, то можно заметить, что под влиянием современных веяний все меняется. Например, Hyundai в Корее уже отказалась от выпуска автомобилей с прикуривателем и заменила его на стандартный USB порт.

Физически порт не претерпит изменений, как собственно и разъем для подключения электроники. То есть чаще всего с одной стороны это будет обычный USB, а с другой — Micro USB. Впрочем, толщина кабеля при этом может увеличиться. Для передачи 7.5 Вт энергии подойдут любые USB-провода, а вот для получения или отдачи большего количества Ватт понадобится новый кабель, который с учетом возросших токов, скорее всего, станет толще.

Для передачи 100 Вт будут использоваться не стандартные для USB в текущем виде 5 вольт. Во-первых, 20 А (5В *20А = 100Вт) это довольно большие токи, во-вторых, те же ноутбуки используют другие значения напряжения, и, видимо, их пришлось бы переделывать под новый стандарт, а так в USB PD добавили стандартные значения напряжений(12В и 20В), которые будут задействоваться в высоких режимах.

USB PD будет совместим с предыдущими стандартами, USB 2.0 и 3.0, однако в отличие от них обзаведется такой возможностью, как передача энергии в любом направлении. То есть теперь для заряда телефона от ноутбука или наоборот, ноутбука от телефона, не придется переставлять шнур. Пример на первый взгляд выглядит странно, но скорее всего с внедрением USB PD у этого двухстороннего режима появятся и куда более практичные применения. Гораздо более наглядным примером будет передача энергии и данных во взаимопротивоположных направлениях. Например, в этом году на выставке CES уже был продемонстрирован первый ноутбук с поддержкой USB PD. Подключенный к монитору, он одновременно заряжался от него и в то же время передавал в обратном направлении HD-видео по одному и тому же USB-проводу.

Не обойдут обновления и методы управления энергопотреблением. USB PD позволит куда точнее дозировать энергию для устройств, следя за тем, чтобы они тянули именно столько, сколько им требуется в данный момент. Например, жесткий диск во время простоя будет брать гораздо меньше энергии, чем во время обращения к файлам.

 

Резюме

Для тех, кто просмотрел материал по диагонали, еще раз выделим основные преимущества и особенности USB PD.

— В планах стандарта — стать второй розеткой в доме и заряжать/питать практически любую небольшую электронику вплоть до телевизоров.
— USB PD позволяет избавиться от громоздких блоков питания для телефонов, принтеров, роутеров, ноутбуков и т.д.
— Будет стандартизирован способ подключения устройств как к источникам энергии, так и к компьютеру, что позволит избавиться от множества проводов в доме и использовать для этих целей стандартный Micro USB. А это значит, что при посещении других стран больше не придется думать о совместимости устройств с местными розетками.
— USB PD энергоэффективен и отлично сочетается с «зелеными» источниками энергии.

Первые устройства на базе USB PD, по заявлению разработчиков стандарта, должны появиться в 2014 году, а уже в 2015 нас ожидает небольшой прорыв в этой сфере.

После того как работа над спецификацией и внедрением USB Power Delivery первой версии будет завершена, разработчики стандарта пообещали устранить один из наиболее очевидных изъянов порта, присутствующий в нем еще с первой версии, а именно невозможность вставить USB-коннектор в порт любой стороной. История гласит, что во время разработки USB 1.0 в перспективность стандарта не все верили до конца, поэтому постарались снизить стоимость его производства до минимума, что и стало причиной использования дизайна с изъяном, позволяющим подключить кабель лишь одним из двух способов.

itc.ua

Технологии PD (USB Power Delivery) и QC 3.0 (Quick Charge 3.0)

Технологии PD (USB Power Delivery) и QC 3.0 (Quick Charge 3.0) Что это такое?

Технологии PD (USB Power Delivery) и QC 3.0 (Quick Charge 3.0)

 

Зарядное устройство предназначено для зарядки аккумуляторов Ваших телефонов, приемников и других гаджетов.

В зависимости от выходного тока и напряжения время зарядки Вашего аккумулятора может значительно разниться.

Если ваше устройство поддерживает 9В/2А, то заряжая от зарядки с максимальным током 1А, вы значительно увеличите время зарядки.

Важно!!! Время зарядки зависит не только от Зарядного Устройства, но и от кабеля, который используете.

Часто бывает, что ЗУ выдает 3А, а пропускная способность кабеля всего 0.5А.

Кроме того на время зарядки ЗНАЧИТЕЛЬНУЮ влияет наличие Систем быстрой зарядки PD (USB Power Delivery) и QC 3.0 (Quick Charge 3.0)

 Что это такое?

·         Систем быстрой зарядки QC 3.0 (Quick Charge 3.0) разработанная Qualcomm Technologies.

 

Эта технология позволяет существенно ускорить время зарядки за счет увеличения силы тока и напряжения

зарядного устройства. Здесь применена новая технология INOV, которая позволяет подобрать оптимальное

напряжение в диапазоне 3,2-20 B с шагом 200 мВ для Вашего устройства.

И главным фактором здесь является не скорость зарядки, а эффективность.

Чтобы не вырабатывался ресурс аккумулятора, INOV постепенно понижает мощность тока и напряжения, и последние 20% зарядки занимают больше времени.

Причем, т.к. при избыточном токе его часть преобразуется в тепло,то эта технология защитит аккумулятор от перегрева и значительно увеличит время его службы.

Сравнения характеристик:

Версия Quick Charge

Максимальная мощность

Напряжение

1.0

10 Вт

5 B

2.0

18 Вт

5B/9B/12B/20B

3.0

18 Вт

3,2-20 В

 

За счет всех этих факторов время зарядки сокращается в 3 раза

 

·         PD - технология USB Power Delivery.

Сейчас все чаще стали использоваться порты USB 3.0 и Thunderbolt (на технике Apple),

которые умеют передавать до 10 Вт энергии.

Также современные смартфоны и планшеты с разъемами Type-C которые воспринимают мощность до 15 Вт.

Технология Power Delivery позволяет обеспечить передачу энергии до 100 Вт — этой энергии может

хватить для любых гаджетов, включая смартфоны, планшеты, ноутбуки и компьютерную периферию (мониторы, принтеры).

Это позволяет при помощи одного обычного USB-кабеля заряжать и подключать

все электронные устройства от источника, которым может быть смартфон,ноутбук или внешний аккумулятор.

 

Преимущества стандарта USB Power Delivery 

 

Преимуществом Power Delivery является ее смарт-функция сопряжения с заряжаемым устройством,

когда гаджет контролирует насколько заполнена батарея заряжаемого аккумулятора.

Благодаря этому ЗУ подбирает оптимальный ток и напряжение в зависимости от процента заполнения батарей.

 

ПЕРЕЙТИ К ПОДБОРУ ЗАРЯДНЫХ УСТРОЙСТВ >>

 

 поделитесь в соцсетях 

mm61.ru

USB Power Delivery: 100W в любом направлении

Главная мотивация появления USB Power Delivery Specification, как ин­ду­стри­ального стандарта, достаточно проста: расширить функциональ­ность универсальной последовательной шины и ее нового разъема USB Type-C, превратив их в двунаправленную цепь для приема и передачи элек­тро­пи­тания. Этой инициативе уже несколько лет, но реально она ста­ла во­пло­щаться в жизнь только сегодня, в связи с поголовным пе­ре­хо­дом мо­биль­ных платформ на питание от USB.

История эволюции

Согласно нормативным документам, типовая максимальная мощность ограничена значением около 100 ватт.


Рис.1 Эволюция стандартов USB-шины и мощности ее силовых цепей:
USB
PD делает возможной передачу 100 ватт электрической мощности, как 20 вольт * 5 ампер

Чтобы снизить потери мощности на сопротивлении соединительных проводников и разъемных соединениях, напряжение увеличено до 20 вольт, ведь при более высоком напряжении, заданную мощность можно передать меньшим током. Значение 20 вольт выбрано не случайно, для внешнего блока питания ноутбука это напряжение близко к типовому.


Рис. 2 Блок питания ноутбука ASUS Zenbook 3 с USB-интерфейсом и разъемом Type-C

Другим важным свойством PD-совместимых устройств является возможность двунаправленной передачи питания. Ограничение, согласно которому USB-хост может быть только источником питания, а подключаемая периферия всегда является его потребителем, также снимается. Роли устройств, с точки зрения обмена данными по USB и передачи электропитания становятся взаимно независимыми, причем, шаги в данном направлении индустрия предпринимала еще до появления разъема USB Type-C.

Разъем USB Type-C

Большинство сигналов нового коннектора функционально соответствуют одноименным цепям его многочисленных предшественников.


Рис. 3 Один из вариантов установки разъема USB Type-C на печатной плате:
различная длина ламелей определяет последовательность коммутации цепей при подключении и отключении


Рис. 4 Расположение контактов в разъеме USB Type-C

Зеркальное соответствие между двумя линиями, каждая из которых соответствует одному порту, не случайно. Допускается прямое и перевернутое подключение разъема. Сигналы этого интерфейса, являющегося фун­да­мен­том для реализации PD-возможностей, следует рассмотреть подробнее.

GND (Ground) — это земля или общий провод. Линия питания VBUS, по умолчанию передает напряжение 5 вольт, которое после обмена квитирующими сообщениями может увеличиваться до 12 либо 20 вольт. Точнее, спе­ци­фи­ка­ция не лимитирует выходное напряжения двумя этими величинами, напряжение задается с шагом 50 mV, а лимит потребления с шагом 10 mA. Но индустрия, с целью упрощения схемотехники регуляторов напряжения, пошла по пути ограничения набора значений параметров. Силовые цепи земли и питания, традиционно продублированы несколькими контактами, при передаче 100 ваттной мощности это особенно важно.

Линии данных в виде дифференциальной пары D+, D- задействованы при передаче информации на скоростях, со­от­ветствующих первому и второму поколениям шины: Low-Speed (1.5Mbps), Full-Speed (12Mbps) и High-Speed (480Mbps). Эти же линии используются для аналогового квитирования между заряжающим и заряжаемым уст­рой­ствами согласно Battery Charging Specification. Линии данных в виде раздельных дифференциальных пар для при­ема и передачи сигналов (RX+, RX-, TX+, TX-), используются для реализации скоростных режимов USB 3.1: Super Speed (5Gbps), SuperSpeedPlus (10Gbps).

Цепи Configuration Channel (CC) обеспечивают коммуникацию между источником и потребителем электропитания, с целью согласования уровня напряжения и допустимого потребляемого тока. Эти сигналы также используются для распознавания прямого и перевернутого подключения разъема, что необходимо при управлении муль­ти­плек­со­рами сигналов порта. Зарезервированные сигналы Sideband Use (SBU) могут использоваться по усмотрению раз­ра­ботчиков платформы.

Нетрудно заметить, что новшествами, характерными для разъема USB Type-C, являются линии Configuration Chan­nel и Sideband Usage, а также возможность увеличения напряжения питания до 20 вольт на линии VBUS. Для пе­ре­да­чи управляющей информации по линии CC (Configuration Channel) используется система, подобная манчестер­скому коду и называемая Bi-Phase Marked Encoding and Decoding (BMC). Набор передаваемых сообщений опреде­ля­ет­ся согласно Power Delivery Specification и несет информацию о возможностях источников электропитания и требованиях его потребителей.


Рис. 5 Пример передачи последовательности битов методом BMC

Как видно из диаграммы, логической единице соответствует наличие переключения, логическому нулю соот­вет­ству­ет отсутствие переключе­ния в середине битового интервала. На границах битовых интервалов переключение происходит всегда.

Контроллер Power Delivery

В качестве примера реализации контроллера Power Delivery рассмотрим микросхему TPS65982 разработки Texas Instruments.


Рис. 6 Блок-схема контроллера Power Delivery TPS65982 для USB Type-C, производства Texas Instruments

Контроллер состоит из следующих узлов:

  • Digital Core как центральная схема управления координирует работу всех узлов контроллера и обеспе­чи­ва­ет взаимодействие с процессором мобильной платформы.
  • Port Data Multiplexer коммутирует информационные сигналы USB портов, включая обеспечение адаптации к прямому и обратному подключению разъема USB Type-C.
  • Подсистема, обозначенная как Cable/Device Detect, Cable Power and USB-PD Phy определяет тип под­клю­че­ния разъема (прямое или обратное) и поддержку функциональности при полностью севшей батарее либо ее отсутствии (Dead Battery).
  • Блок Power Management and Supervisors содержит внутренние источники напряжений, необходимые для ра­боты контроллера, датчики температурной защиты, формирователи сигналов сброса.
  • Узел External FET Control and Sense управляет силовыми ключами с целью выбора напряжения питания в со­от­ветствии с результатами детектирования конфигурации. Силовые коммутаторы в этом узле являются ис­пол­ни­тель­ным меха­низ­мом при выборе напряжения питания. Они снабжены датчиками тока и термозащитой.

В этом примере подразумевается решение, при котором линии +5V 3A (синий маркер), а равно +12V 3A (зеленый маркер) коммутируются внутренними ключами микросхемы, в то время как для мощной линии +20V 5A (красный маркер), используются внешние ключи на дискретных транзисторах.

Вместо послесловия

Расширение функциональности USB-подсистемы и, как следствие, устранение отдельного разъема питания, без­ус­лов­но, явление ожидаемое и логичное. Вместе с тем, программно управляемая коммутация напряжений в до­ста­точ­но широком диапазоне, вызывает немало вопросов.

Возможна ли авария питания в результате программного сбоя или действий вредоносного программного обеспе­че­ния? Очевидно, наихудшим сценарием будет подключение напряжения 20 вольт к нагрузке, для которой нормой является 5 вольт. Надо отметить, что мера защищенности от подобных ситуаций недостаточно четко уста­нав­ли­ва­ет­ся нормативными документами и во многом зависит от доброй воли разработчика Power Delivery контроллеров и мобильных платформ на их основе.

Еще одним плодом экстремальной экономии явилось совмещение в одной микросхеме силовых ключей и сиг­наль­ных цепей USB-портов, что также повышает вероятность попадания высокого напряжения 20 вольт в низко­вольт­ные цепи цифровой логики.

С другой стороны, при грамотной разработке цепей универсальной последовательной шины, возможен принци­пи­аль­но иной результат имплементации PD. Аппаратная валидация команд управления силовыми ключами, схемо­тех­ни­че­ское и конструктивное разделение силовых и управляющих цепей, может сделать Power Delivery дополни­тель­ным фактором защищенности устройства, разделяющим системную логику, USB-контроллер и внешние цепи.

Источники информации

Рассмотренный в статье Power Delivery контроллер TPS65982 для USB-интерфейса на основе разъема USB Type-C, яв­ля­ет­ся одним из частных случаев реализации Power Delivery Specification. Сфера действия десятков нор­ма­тив­ных до­ку­мен­тов весьма обширна и не ограничивается данным видом интерфейса и рядом напряжений: 5, 12 и 20 вольт.

composter.com.ua


Смотрите также



© 2010- GutenBlog.ru Карта сайта, XML.