Как спроектировать блок питания на 2 А или более для потребительских USB-устройств?

Причина, по которой ваши устройства Apple/Samsung не потребляют больше энергии, проста. Это связано с тем, что между устройством Apple/Samsung и их выделенными источниками питания происходит дополнительный обмен данными. Это заставляет оба устройства распознавать друг друга и согласовывать использование более высокого тока. Зарядное устройство устанавливает определенные напряжения на линиях передачи данных USB, и это распознается телефоном или планшетом.

Ваш блок питания на 20 ампер не подает эти напряжения на линии даты, поэтому он не «разговаривает» с вашим устройством Apple / Samsung, поэтому они предполагают, что это обычное «тупое» зарядное устройство и не потребляет больше тока, чем разрешено стандартом USB. который обычно составляет всего 100 или 500 мА

Чтобы зарядить устройство Apple, поместите эти напряжения на линии передачи данных:

требуемый ток: 2000 мА D-: 2,0 В D+: 2,75 В

Кроме того, в зависимости от того, насколько заряжена батарея, ток заряда также ограничен. Он будет максимальным только при заряде батареи на 30-70 % (эти цифры только мои предположения). Зарядка большим током вредна для аккумулятора, когда он очень низкий или почти полный.

Источники:

Adafruit: тайны зарядки устройств Apple

Voltaic: выбор напряжения USB-контакта

Вот более полная статья , в которой перечислены известные проприетарные схемы идентификации резисторов-делителей D+/D- для мощных зарядных устройств. Суть в следующем:

2,0 В/2,0 В – малая мощность (500 мА)

2,0 В/2,7 В – Apple iPhone (1000 мА/5 Вт)

2,7 В/2,0 В – Apple iPad (2100 мА/10 Вт)

2,7 В / 2,7 В — 12 Вт (2400 мА, возможно, используется Blackberry)

D+/D- замкнуты вместе – стандарт USB-IF BC 1.2

1,2 В/1,2 В – устройства Samsung

Значения Samsung совпадают с указанными на этой схеме ^{[оригинал]} через резисторный делитель 10k/33k для зарядных устройств для планшетов Galaxy 2A.

Как я уже говорил в других своих комментариях, есть также готовые чипы, которые реализуют некоторые из них, например , MAX14667 , TPS2513 , Microchip USB2534 или CYUSB3324 . В техническом описании последнего также содержится более подробная информация об устройствах Samsung:

Устройства Samsung используют несколько методов зарядки. В некоторых устройствах Samsung (планшетах Samsung Galaxy) используется запатентованный метод зарядки, в котором контакты D+ и D- смещены на один и тот же потенциал (~ 1,2 В). Устройства Samsung серии Galaxy S (S3, S4) соответствуют стандарту зарядки USB-IF BC v1.2 для режимов работы DCP, CDP и SDP.

USB - IF BC 1.2 имеет следующие требования для режима DCP:

• Линии данных D+ и D– закорочены вместе с максимальным последовательным сопротивлением 200 Ом.

• Не отключать питание до тех пор, пока напряжение не упадет ниже 2 В или ток не превысит 1,5 А.

• Абсолютный максимальный ток, допустимый, но не обязательный, является пределом разъема USB 2.0, до 5 А.

Кроме того, в примечании Cypress говорится, что 2,7 В / 2,7 В -> 2,4 А [также] используется Apple. Обсуждение на форумах TI, на которые откликнулись сотрудники TI (для своих TPS2513A), указывает на то же самое. Сотрудник TI сказал :

Начиная с iPad3, используется батарея на 42 Втч, долгое время зарядки становится проблемой. Сравните время зарядки от 0% до 100%, зарядное устройство 2,1 А занимает 6 часов, зарядное устройство 2,4 А занимает 5 часов 40 минут. Так на 20 минут быстрее, но ненамного.

Мы считаем, что основная причина, по которой Apple выпускает зарядное устройство 2,4 А, заключается в улучшении пользовательского опыта при одновременной зарядке и игре. Когда я играю в высококачественные видеоигры, такие как Infinity II, и заряжаюсь одновременно, процент заряда батареи моего iPad3 увеличивается очень-очень медленно, например, через 30 минут увеличивается только на 2 процента, что сводит меня с ума.

При использовании зарядного устройства на 2,4 А состояние батареи увеличивается быстрее, по крайней мере, я чувствую себя нормально, с этим все в порядке.

Блок питания более чем способен выдавать максимальные 2,1 ампера, так почему же он не подходит хотя бы для планшетов?

Стандарт USB не позволяет потреблять более 500 мА от стандартного порта USB 1. Пока устройство не установит связь с хост-устройством USB, оно не сможет узнать, какой ток доступен.

Стандарт USB фактически требует, чтобы устройства потребляли не более 100 мА, прежде чем связываться с хостом и запрашивать больше энергии. Это важно, потому что стандартный концентратор USB без питания будет потреблять 500 мА - 100 мА на себя и по 100 мА на каждый из своих портов. Это означает, что концентратор без питания не может и не должен пытаться подавать 500 мА на USB-устройство.

Стандарт был разработан таким образом, чтобы поддерживать различные варианты использования.

Очевидно, что только Apple следует стандарту и потребляет всего 100 мА, прежде чем запросить дополнительную мощность.

Реальность такова, что несколько портов USB не могут обеспечить 500 мА без запроса. Многие даже не удосуживаются следить за потреблением тока и отключать несовместимые USB-устройства. Почти всегда безопасно получать 500 мА от USB-порта, не запрашивая у хост-порта максимальную мощность.

Новые спецификации USB позволяют использовать порты более высокой мощности. Опять же, однако, это должно быть запрошено, чтобы соответствовать спецификации.

Зарядные устройства USB, как правило, не являются интеллектуальными и не имеют полноценного хост-порта USB. Они используют некоторые короткие пути — обычно используют резисторы на линиях D+ и D-, чтобы сигнализировать USB-устройству о том, что зарядное устройство способно на большую мощность без официального запроса.

Кроме того, некоторые устройства, такие как линейка Apple iOS, также будут контролировать подаваемое напряжение и снижать потребление тока в зависимости от падения напряжения. Например, если зарядное устройство сообщает, что оно может подавать 2 А, но напряжение не остается на уровне 5 В, устройство iOS будет потреблять меньше максимального тока. Он не будет заряжаться ниже 4,5 В и выше 5,5 В. Таким образом, зарядное устройство должно не только подавать правильные сигналы, чтобы указать, что доступен полный ток, но и поддерживать хорошее регулирование при максимальном потреблении тока.

Имейте в виду, что это функция безопасности. Не только зарядное устройство должно обеспечивать ток, но и используемый USB-кабель должен быть в состоянии его передавать. Может показаться, что это не большой ток, но на рынке есть много очень дешевых тонких USB-кабелей, которые заметно нагреваются при протекании 2А через их проводники меньшего размера. Поместите это под легковоспламеняющуюся подушку и позвольте теплу накапливаться, и вы можете найти больше, чем расплавленную изоляцию.

Apple проверяет не только зарядное устройство, но и кабель (используя собственные чипы внутри кабельного разъема), чтобы избежать ответственности за возможные убытки, связанные с опасными зарядными устройствами и проводкой.

Однако, пока вы используете кабель, поставляемый с устройством, у вас не должно возникнуть проблем с этим его аспектом, и вы можете сосредоточиться на сигнализации зарядного устройства.

Что мне нужно сделать в моей тестовой установке, чтобы убедить устройства потреблять максимальный зарядный ток?

Стандарт Apple был частично принят другими или принят другими и состоит в размещении определенных уровней напряжения на линиях D- и D+ при низком токе. Приблизительно 2,0 В на линии D- и 2,75 В на линии D+ будут означать, что 2 А (10 Вт) доступны для зарядки. Это можно сделать с помощью простых резисторов:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Если вы будете следовать этой схеме в своей настройке, вы обнаружите, что по крайней мере устройства Apple заряжаются при 2 или более амперах, и вы можете обнаружить, что другие ваши устройства также заряжаются с этой скоростью.

Вы можете попробовать использовать специальный контроллер зарядного порта .

Согласно спецификации, он может обнаруживать следующие схемы зарядки:

1. Делитель 1 DCP, необходимый для подачи 2 В и 2,7 В на линии D+ и D– соответственно (TPS2513, TPS2514)
2. Делитель 2 DCP, требуется для подачи 2,7 В и 2 В на линии D+ и D– соответственно (TPS2513, TPS2514)
3. Делитель 3 DCP, требуется для подачи 2,7 В и 2,7 В на линии D+ и D- соответственно (TPS2513A, TPS2514A)
4. BC1.2 DCP, требуется для замыкания линии D+ на линию D–
5. Китайский телекоммуникационный стандарт YD/T 1591-2009 Shorted Mode, необходимый для замыкания линии D+ на линию D–
6. 1,2 В на линиях D+ и D–

20 ампер — это то, на что способен источник питания, и все, что вы к нему подключаете, берет то, что ему нужно, из этих 20 ампер.

Например, если у вас есть источник питания, настроенный на выход 5 вольт, и вы подключаете резистор 5 Ом к его выходу, он будет подавать на резистор 1 ампер, потому что это все, что нужно резистору с 5 вольтами на нем.

Вы также можете подключить к источнику питания двадцать 5-омных резисторов параллельно, и он будет подавать по 1 ампер на каждый из них, что в сумме составит 20 ампер.

USB-устройство будет потреблять только то количество тока, которое, как оно известно , оно определенно может потреблять, не вызывая повреждения зарядного устройства. Устройства Apple и Samsung не имеют ни малейшего представления о том, сколько безопасно использовать зарядное устройство, поэтому они используют стандарт USB. Стандарт USB гласит: «0,5 ампера безопасно». (Если зарядное устройство идентифицирует себя как зарядное устройство USB, но не может выдержать 0,5 Ампера, это не вина телефона, а проблема зарядного устройства).

Единственный способ убедить устройство потреблять больше тока — реализовать связь в зарядном устройстве, которая будет происходить между устройством Apple и зарядным устройством Apple или устройством Samsung и зарядным устройством Samsung. Это не очень сложно, и вы можете купить зарядные устройства приличного качества по разумным ценам, которые делают это. Ваше зарядное устройство этого не делает, поэтому 0,5 А - это предел.

Все USB-устройства должны вести себя при подключении к USB-порту данных, который по умолчанию выдает 100 мА, 500 мА при «вежливом запросе». Вот что вы получаете.

Если вы соедините сигналы Data+ и Data- вместе через небольшой резистор (для защиты... что-то около 100 Ом), вы будете соответствовать спецификации зарядки аккумулятора USB, которая позволяет устройству потреблять минимум 1,5 А.