Как работает USB-зарядка и «умные» зарядные порты (например, PowerIQ от Anker)?

Есть два дополнения к спецификации USB, которые допускают ток более 500 мА.

спецификация зарядки аккумулятора usb 1.1 . Допускает до 1,3А.

спецификация зарядки аккумулятора usb 1.2 (и это ). Допускает до 5А.

Резюме:

• USB 2.0 - BCS 1.1: ток 1,3 А, без передачи данных.
• USB 2.0 - BCS 1.2: ток 5А с данными.
• USB 3.0 - BCS 1.2: ток 5 А, но ток ограничен 1,5 А, данные отсутствуют.

Больше можно найти здесь

Редактировать: иногда производитель не следует стандарту и использует что-то проприетарное. Иногда «что-то запатентованное» будет заключаться в том, чтобы просто позволить контактам данных висеть в воздухе или при определенном напряжении, а затем обеспечить произвольное количество тока ...

На практике «умные» зарядные устройства используют специальный чип, который называется Dedicated Charge Port Controller . Контроллер DCP может действовать как различные зарядные устройства и выбирает наиболее подходящий режим.

Это связано с тем, что обычные («глупые») настенные зарядные устройства используют соединения USB для передачи данных, чтобы сигнализировать статическим аналоговым способом о том, на что они способны. «Умные» зарядные устройства могут делать то же самое, но менее статично: они наблюдают за поведением зарядного устройства и выводят из этого идеальную настройку, которую затем могут эмулировать.

Примерами специализированных микросхем контроллера порта зарядки являются « Контроллер USB-порта для зарядки» серии Texas Instruments TPS2510 , « Идентификация USB-хост-зарядного устройства/эмулятор адаптера» серии Maxim MAX14600 и «Контроллер USB-порта для быстрой зарядки » Norelsys NS3601 .

Изображение из таблицы данных TPS2513a (авторское право TI):

Аналогично, MAX14600 (авторское право Максима):

Вы можете видеть, что линии данных USB («DP» и «DM») имеют несколько настраиваемых ресурсов, и они управляются некоторой «умной» логикой.

Некоторое объяснение

Различные заряжаемые устройства требуют различных типов зарядных устройств. Частично это связано с тем, что в спецификации USB изначально не было указано поведение «зарядки», а частично с тем, что некоторые производители хотят, чтобы их устройства заряжались максимально быстро только от собственных розеток. Кроме того, устройство не может потреблять больше тока, чем оно может считать допустимым , чтобы избежать риска перегрева неправильно спроектированного источника питания.

Примечание: приведенное ниже объяснение игнорирует технологии USB3, USB Power Delivery и Qualcomm Quick Charge, которые еще больше усложняют ситуацию (например, они поддерживают увеличение напряжения выше 5 Вольт).

Различают такие типы USB-розеток:

• Обычный порт USB (как на ПК). Это называется SDP , стандартный нисходящий порт. SDP выдает до 100 мА и может увеличить этот предел до 500 мА, если подключенное устройство любезно попросит об этом, а USB-хост согласится, что это возможно и разрешено.
  • На практике почти все SDP выдают 500 мА даже без надлежащей связи. USB-гаджеты, такие как маленькие вентиляторы и нагреватели для кружек, не обмениваются данными, но все же требуют более 100 мА.
• Порт USB с возможностью связи и дополнительными функциями зарядки. Это называется CDP : нисходящий порт для зарядки. Этот может подавать до 1500 мА. Не поддерживающие связь нижестоящие устройства могут сообщить об этом зарядному устройству, соединив линии передачи данных USB D+ и D- с сопротивлением или с коротким замыканием.
• Китайский стандарт телекоммуникационной отрасли YD/T 1591-2009 предшествует спецификации CDP и является ее источником. Он указывает на короткое замыкание между D+ и D-.
• Порт USB без возможности связи (например, в розетке). Это называется DCP : выделенный порт для зарядки. По сути, это CDP без средств связи с USB-хостом (ПК).
• Порты DCP, которые не соответствуют спецификациям DCP (из спецификации USB Battery Charging версии 1.2). Эти настенные вилки имеют различные настройки резисторов, подключенных к линиям передачи данных, что приводит к фиксированным напряжениям, которые могут быть считаны зарядным устройством. Список «узнаваемых» напряжений очень длинный, это лишь выдержка:
  • Apple 0,5 А (D+ при 2 В, D- при 2 В)
  • Яблоко 1А (2В/-2,8В)
  • Яблоко 2,1 А (2,7 В / 2,0 В)
  • Яблоко 2,4 А (2,7 В / 2,0 В)
  • Сони (3,3 В / 3,3 В)
  • Многие (в т.ч. Samsung) 2А (1,2В/1,2В)

«Умные» зарядные устройства, то есть микросхемы контроллера DCP внутри них, могут эмулировать стандартный порт DCP с переменными значениями резисторов, а также могут эмулировать несколько нестандартных напряжений DCP.

Секретный соус

Производители чипов на самом деле не описывают, как работает их логика «обнаружения», но единственный вариант, который у них есть, — это отслеживать, что делает зарядное устройство на линиях D+ и D-, и смотреть на потребляемый ток.

Это, без сомнения, требует большого количества исследований методом проб и ошибок, и алгоритм, вероятно, держится в строжайшем секрете.

Один из методов, который можно использовать, заключается в циклическом просмотре эмулируемых состояний и отслеживании количества потребляемого тока. Тогда состояние с наибольшим потреблением тока является «лучшим» и остается активным.

Примечание

Пусть вас не смущает маркетинг производителей зарядных устройств, утверждающих, что зарядные устройства « обеспечивают максимальный ток для устройства». Разъем USB является источником напряжения ; он только контролирует напряжение, и именно зарядное устройство «решает», сколько тока оно «потребляет» во время зарядки.

Таким образом, зарядное устройство не может «заставить» ток в устройство, которое его не принимает, по крайней мере, не оставаясь ниже безопасного максимума 5,1 Вольт.

Единственное, что происходит, — это какой-то обман, чтобы заставить зарядное устройство поверить в то, что оно подключено к наиболее способному, наиболее подходящему и наиболее совместимому зарядному устройству, которое только можно себе представить.

Дополнительные ссылки

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB
• http://lygte-info.dk/info/USBinfo%20UK.html
• http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2514a-q1.pdf
• https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX14600-MAX14618.pdf
• http://www.norelsys.com/English/chanpinzhongxin/SMARTPOWER/2015/0601/123.html

Я тоже всего лишь инженер-программист, но часть моей работы связана с чтением спецификаций USB. Вот что я знаю:

Существует два официальных протокола для питания через USB. Первый, BCD, был выпущен в 2007 году и обновлен в 2010 году. Он использует различные трюки с линиями данных, чтобы определить, сколько энергии может потреблять нижестоящее устройство. Это не обязательно должно быть полное рукопожатие USB. Например, специальное зарядное устройство идентифицируется как таковое, просто замыкая D+ на D-. Это указывает на то, что нижестоящее устройство может потреблять максимальный зарядный ток, который, как я полагаю, составляет 1,5 А. Спецификацию BCD можно прочитать здесь .

Более новый протокол — PD (Power Delivery), который распространяется как часть основной спецификации USB . ПД действительно интересно. Он позволяет обмениваться информацией о мощности по линиям напряжения, а не по линиям данных, и может поддерживать мощность до 100 Вт (20 В / 5 А). Однако для приложений с высокой мощностью требуется, чтобы кабель имел электронную маркировку, чтобы указать, что кабель может выдерживать высокое напряжение / большой ток без плавления. :-) В спецификации определено несколько «маркировок», но все они, по-видимому, связаны с установкой резистора или конденсатора между двумя контактами вилки.

Тем не менее, вероятность того, что какой-либо кабель или зарядное устройство действительно правильно реализует всю спецификацию, кажется довольно низкой. Вы можете следить за подвигами Бенсона Леунга на Amazon.com , чтобы увидеть, сколько способов нашли производители, чтобы облажаться.

Я не знаю точно, но я думаю, что очень вероятно, что маркетинговые этикетки типа «PowerIQ» указывают на зарядные устройства, которые пытаются добиться совместимости с как можно большим количеством устройств и кабелей, в том числе безнадежно нестандартных. К сожалению, нет хорошего способа сказать, насколько близко конкретное зарядное устройство подходит к этому идеалу.

(старая тема, но новая информация, основанная на последней спецификации USB.)

Как уже упоминалось, новые спецификации USB допускают зарядное напряжение выше 5 В, если устройство этого требует.

В соответствии с расширением «USB Power Delivery» (PD) (USB PD rev. 3.0, вер. 1.0a сейчас) на подключенное устройство может подаваться до 5 А при 5 В, 9 В, 15 В или 20 В с максимальным мощностью 100 Вт. Существует множество правил, которым должно следовать «запрашивающее устройство» в этих случаях.

Обычно это относится к ноутбукам или другим устройствам с большим количеством ячеек и/или рабочим напряжением. Кабели также должны быть спроектированы и рассчитаны на такие условия.

(да, я EE... уже более 35 лет)

Я разделяю вашу тошноту по поводу этого языка, однако я согласен, что в этом, вероятно, есть доля правды. Устройства USB объявляют себя на основе идентификаторов производителя, продукта и устройства, чтобы хост мог распознать, что подключается, и соответствующим образом обработать его (например, найти соответствующий драйвер). Кроме того, я не эксперт по батареям, но я достаточно разоблачен, чтобы знать, что литий-ионные батареи имеют некоторые странные требования к зарядке, чтобы избежать перегрева. Вполне разумно полагать, что продукт USB может согласовать более оптимальную схему зарядки, как описано здесь, учитывая, что он взаимодействует с адаптированным драйвером или продуктом на другом конце.

Пример схемы зарядки Li-ion, которую я видел, представляет собой постоянный ток, пока напряжение батареи не достигнет 4,0 В, а затем постоянное напряжение, пока батарея не достигнет 4,2 В. Возможно, разные аккумуляторы имеют разные схемы (опять же, я не эксперт по аккумуляторам).

[...] на самом деле происходит нечто более сложное.

Да. Короче говоря, умные порты используют хаки нестандартных механизмов зарядки для достижения оптимальных токов. Распространенное мнение, что все USB-устройства основывают свои протоколы зарядки исключительно на спецификации USB или расширении BCS, неверно.

Многие зарядные устройства USB имеют только «глупые» плавающие порты данных, описанные BCS, также известные как DCP, выделенные порты для зарядки.

Интеллектуальный порт может действовать как простой порт (DCP) или может эмулировать несколько проприетарных портов, если спецификация USB/BC не поддерживается или не оптимальна. Эта эмуляция может выйти из строя в определенных сценариях и вызвать проблемы, поэтому смарт-зарядные устройства каждой марки стараются выделиться с точки зрения надежности, скорости и совместимости. Их создание может потребовать обратного проектирования.

В идеале «умные» зарядные устройства не понадобятся, и все устройства будут использовать один и тот же стандарт зарядки. Если это не хост/зарядное устройство, оно распознает устройство, которое может:

• Медленно заряжайте
• Не заряжать вообще.
• Заряжайте со скоростью стандартной спецификации USB (не BCS) (т. е. 5 единиц питания для USB-устройства с полной мощностью, 1 для маломощного, 5 для ненумерованного соединения только для питания). Обычно это медленнее, чем его макс.
• Зарядка на скорости БКС, тогда они могли тянуть аж 5А от ДКП. Хотя я никогда не видел рекламу более 3А для одного порта. Это все еще может быть медленнее, чем то, что он мог бы сделать с собственным зарядным устройством.

[...] что происходит с этими умными портами, чтобы устройство могло потреблять больше тока? [...] действительно ли линии передачи данных USB используются для согласования схемы зарядки?

Вроде, зависит от того, на какую спецификацию зарядки вы смотрите. Я считаю, что Apple использует линии данных, но ничего сложного не происходит, они просто настроены на 3 В, чтобы указать, что это зарядное устройство Apple.

DCP — не единственный зарядный порт, описанный BCS. Некоторые (немногие) устройства предпочитают требовать перечисление (т. е. использовать рукопожатие выводов данных) и поэтому нуждаются в CDP (зарядном нисходящем порту), который является более сложным, поскольку он позволяет передавать данные в дополнение к зарядке. Я полагаю, что порт, который полностью совместим с BCS, т. е. может переключаться между CDP и DCP, может считаться «умным», даже если он не эмулирует какие-либо другие технологии.

Я предполагаю, что, чтобы зарядить аккумулятор как можно быстрее, вы бы потребляли как можно больше тока, [...] конечно, они могли бы потреблять больше. Почему это?.

Правильно, но только если зарядное устройство соответствует их спецификациям, иначе, я думаю, они просто не доверяют ему. Или, может быть, это связано с конкуренцией и патентами или с алгоритмами, оптимизирующими срок службы батареи. Я думаю, как более интересно, чем почему.

Я тоже не ЕЕ. (Также инженер-программист с начитанным любительским пониманием электроники.)

Насколько я понимаю, по соглашению обычные USB-устройства будут потреблять максимум 500 мА, не более. Все, что больше, является нарушением стандарта USB.

«Умные» зарядные устройства USB включают твердотельную логику с чипами последовательной связи. Когда вы подключаете устройство, которое требует более высокого тока, оно отправляет запрос на блок питания, говоря что-то вроде «Я хочу 2 ампера. Это нормально?» Если блок питания представляет собой дамп USB-порта, он вообще не отвечает, поэтому устройство либо не работает, либо потребляет только стандартные 500 мА (и заряжается гораздо медленнее.

У меня есть телефон Samsung S5 и Note 10.1 (выпуск 2014 года). У меня есть встроенный USB-метр, который измеряет напряжение, ток и мАч. При подключении одного из этих устройств к штатному зарядному устройству выходное напряжение зарядного устройства возрастает до 5,5 вольт, а ток заряда составляет около 1,6 ампер. Если я попытаюсь сделать это, используя дешевую настенную бородавку с номиналом 1 ампер, напряжение останется на уровне 5,0, а зарядка составит 0,8 ампер. У меня также есть несколько зарядных устройств на батарейках. Большинство из них, хотя и рассчитаны на 2 ампера или более, обеспечивают только 5,0 вольт, а ток заряда остается на уровне около 0,8 ампер. Из этого я делаю вывод, что протокол Samsung предназначен для устройств, запрашивающих быструю зарядку одним из способов, указанных выше, и что зарядное устройство сигнализирует о том, что оно способно на это, повышая выходное напряжение до 5,5 вольт.