Як працюють порти зарядки через USB та "розумні" зарядні пристрої (наприклад, PowerIQ Anker)?

Тут працює інженер-програмник з розумінням EE.

Останнім часом я помітив чимало претензій виробників USB-батарей, що їх порти "розумні" та "ідентифікують пристрій", щоб "доставити максимальний струм для пристрою". Побіжний погляд на справу, здається, означає, що це не зовсім маркетингова мова, і насправді відбувається щось складніше.

Не розуміючи тонкої хімії літій-іонних акумуляторів чи природи контролерів заряду, я б припустив, що для того, щоб зарядити акумулятор якомога швидше, ви б набрали якомога більше струму, обмеживши його лише характеристиками акумулятора. Це не повинно бути так, оскільки документально підтверджено, що пристрої обмежують зарядку до 1А в деяких випадках, коли напевно вони могли б отримати більше. Чому це?

Якщо поточний малюнок настільки керований, що відбувається з цими розумними портами, щоб пристрій мав можливість отримувати більше струму? На сторінці продукту для батареї Anker вони стверджують, що їх порти ідентифікують пристрій та "розмовляють його унікальною мовою зарядки" (ця фразування викликає нудоту). Можливо, я не повинен так різко реагувати на цю фразу - чи справді лінії передачі даних USB використовуються для узгодження певної схеми зарядки?

Спасибі!

До специфікації USB є два доповнення, які дозволяють отримати струм більше 500 мА.

специфікація зарядки акумуляторної батареї usb 1.1 . Дозволяє до 1.3A.

специфікація 1.2 для зарядки акумулятора usb (і це ). Дозволяє до 5A.

Підсумок:

• USB 2.0 - BCS 1.1: струм 1.3A, без передачі даних.
• USB 2.0 - BCS 1.2: 5А струм з даними.
• USB 3.0 - BCS 1.2: обробка струму 5А, але струм обмежений 1,5А, даних немає.

Більше можна знайти тут

Редагувати: Іноді виробник не дотримується стандарту і використовує щось захищене. Іноді "чимось власницьким" було б просто відпустити штифти даних, що висять у повітрі або при певній напрузі, а потім забезпечити довільну кількість струму ...

На практиці "розумні" зарядні пристрої використовують спеціальний чіп, який називається виділеним контролером зарядного порту . Контролер DCP може діяти як різні зарядні пристрої, і вибирає режим, який, здається, працює найкраще.

Це тому, що звичайні ("німі") настінні зарядні пристрої використовують USB-з'єднання для передачі даних, щоб сигналізувати статичним, аналоговим способом, на що вони здатні. "Розумні" зарядні пристрої можуть робити те ж саме, але менш статичним чином: вони стежать за поведінкою зарядного пристрою і відраховують із цього ідеальне налаштування - яке вони можуть потім імітувати.

Прикладами виділених мікросхем контролера портів заряду є серія Texas Instruments TPS2510 «Контролер USB зарядного порту», серія Maxim MAX14600 «Ідентифікація USB-зарядного пристрою / емулятор адаптера» та Norelsys NS3601 «Контролер портів швидкої зарядки портів USB».

Зображення з листа даних TPS2513a (авторське право TI):

Аналогічно MAX14600 (авторське право Maxim):

Ви можете бачити, що лінії передачі даних USB ("DP" і "DM") мають на собі декілька настроюваних ресурсів, і вони керуються деякою "розумною" логікою.

Деякі пояснення

Для різних зарядних пристроїв потрібні зарядні пристрої різних типів. Частково це пояснюється тим, що специфікація USB спочатку не визначала поведінку «зарядки», а також частково тому, що деякі виробники хочуть, щоб їх пристрої заряджалися лише в найкоротші терміни на власних розетках. Крім того, пристрій може не подавати більше струму, ніж той, який він може вважати дозволеним , щоб уникнути ризику перегріву неправильно сконструйованого джерела живлення.

Примітка: нижче пояснення ігнорує технології USB3, USB Power Delivery та Qualcomm Quick Charge, які ще більше ускладнюють питання (наприклад, вони підтримують підвищення напруги вище 5 Вольт).

Можна виділити такі типи USB-розеток:

• Регулярний порт USB (як на ПК). Це називається SDP , Standard Downstream Port. SDP постачає до 100 мА і може збільшити цю межу до 500 мА, якщо підключений пристрій гарненько вимагає цього, а USB-хост погоджується, що це можливо і дозволено.
  • На практиці майже всі СДП постачають 500 мА навіть без належного зв’язку. USB-гаджети, як маленькі вентилятори та нагрівачі кружки, не спілкуються, але все ж потребують більше 100 мА.
• USB-порт з можливістю зв'язку та додатковою функцією зарядки. Це називається CDP : зарядка порту за течією. Цей може постачати до 1500mA. Пристрої, що не спілкуються нижче, можуть повідомити про це до зарядного пристрою, з'єднавши лінії передачі даних D + і D- із опором або з короткою.
• Китайський стандарт телекомунікаційної галузі YD / T 1591-2009 передує та надихнув специфікацію CDP. Він визначає короткий між D + і D-.
• USB-порт без можливості зв'язку (наприклад, у розетці). Це називається DCP : виділений зарядний порт. Це в основному CDP без засобів спілкування з USB-хостом (ПК).
• Порти DCP, які не відповідають специфікаціям DCP (з роздільної версії 1.2). Ці настінні штепсельні розетки мають різну настройку резисторів, підключених до ліній передачі даних, в результаті чого фіксовані напруги можуть бути прочитані зарядним пристроєм. Список "впізнаваних" напруг дуже довгий, це лише уривок:
  • Apple 0,5A (D + на 2В, D- @ 2V)
  • Apple 1A (2V / -2.8V)
  • Apple 2.1A (2.7V / 2.0V)
  • Apple 2.4 A (2.7V / 2.0V)
  • Sony (3.3V / 3.3V)
  • Багато (включаючи Samsung) 2A (1.2V / 1.2V)

"Розумні" зарядні пристрої - тобто мікросхеми контролера DCP всередині них - можуть імітувати стандартний порт DCP з різними значеннями резистора, а також можуть імітувати декілька нестандартних напруг DCP.

Секретний соус

Виробники мікросхем насправді не описують, як працює логіка їх «виявлення», але єдиний варіант, який вони мають, - це стежити за тим, що працює зарядний пристрій на лініях D + і D, і дивитись на той струм, який проводиться.

Це, без сумніву, вимагає багато досліджень проб і помилок, і алгоритм, ймовірно, зберігається як чітко захищена таємниця.

Один з прийомів, який може бути використаний, полягає в тому, щоб провести через емуляцію станів і відзначити кількість струму, що подається. Держава з найбільшою нинішньою нічиєю тоді є "найкращою" та залишається активною.

Бічна примітка

Не бентежиться маркетинг виробників зарядних пристроїв, який стверджує, що зарядні пристрої " подають максимальний струм для пристрою". Розетка USB - це джерело напруги ; він керує лише напругою, і саме зарядний пристрій 'визначає', скільки струму «приймає» під час зарядки.

Тож немає ніякого способу зарядний пристрій може «примусити» струм до пристрою, який не приймає його, принаймні, не залишаючись нижче безпечного максимуму 5,1 Вольт.

Єдине, що відбувається - це хитрість, щоб змусити зарядний пристрій вважати, що він підключений до найбільш здатного, найкращого, найбільш сумісного зарядного пристрою, який він може собі уявити.

Подальші посилання

• 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 теж просто інженер програмного забезпечення, але частина моєї роботи пов'язана з читанням специфікацій USB. Ось що я знаю:

Існує два офіційних протоколи для живлення через USB. Перший, BCD, був випущений у 2007 році та оновлений у 2010 році. Він використовує різні хитрощі для передачі даних, щоб визначити, яка потужність пристрою нижче за течією дозволено пропускати. Це не повинно бути повним рукостисканням USB. Наприклад, виділений зарядний пристрій визначає як таке лише за допомогою скорочення D + до D-. Це вказує на те, що пристрій нижче за течією може занурюватися до максимального струму зарядки, який, на мою думку, становить 1,5 А. Ви можете прочитати специфікацію BCD тут .

Новіший протокол - PD (Power Delivery), який поширюється як частина основної специфікації USB . PD дійсно цікаво. Це дозволяє обмінюватися інформацією про живлення по лініях напруги, а не по лінії передачі даних, і може підтримувати до 100 Вт (20 В / 5А). Однак додатки з високою потужністю вимагають маркування кабелю в електронному вигляді, щоб вказати, що кабелі можуть підтримувати високу напругу / високий струм без плавлення. :-) У специфікації визначено кілька "маркувань", але всі вони, мабуть, включають падіння або резистора, або конденсатора між двома штифтами в штепсельній вилці.

Однак, вірогідність того, що будь-який кабель чи зарядний пристрій реально реалізує всю технічну характеристику, здається досить низькою. Ви можете слідкувати за подвигами Бенсона Леунга на Amazon.com, щоб побачити, скільки способів виробники знайшли, щоб накрутити це.

Я не знаю точно, але думаю, що дуже ймовірно, що маркетингові етикетки типу "PowerIQ" вказують на зарядні пристрої, які намагаються досягти сумісності з якомога більшою кількістю пристроїв та кабелів, включаючи ті, які безнадійно нестандартні. На жаль, не існує хорошого способу сказати, наскільки близький якийсь конкретний зарядний пристрій до цього ідеалу.

(стара тема, але нова інформація на основі останніх специфікацій USB)

Як уже згадувалося, нові технічні характеристики USB дозволяють отримати напругу зарядки вище 5В, якщо пристрій вимагає цього.

У розширенні "Поставка живлення USB" (PD) (USB PD rev. 3.0, версія 1.0a зараз) на підключеному пристрої можна надати до 5A на 5V, 9V, 15V або 20V, максимум потужністю 100 Вт. Існує багато правил, яких повинен дотримуватися "пристрій запиту" у цих випадках.

Зазвичай це стосується портативних комп'ютерів або інших пристроїв, які мають більшу кількість комірок та / або робочої напруги. Кабелі також повинні бути розроблені та визначені для виконання цих умов.

(так, я EE ... більше 35 років)

Я поділяю вашу нудоту на цій мові, проте я погоджуюся, що за цією справою, мабуть, є якась правда. USB-пристрої заявляють про себе на основі ідентифікаторів постачальника, продукту та пристрою, щоб хост міг розпізнати, до чого підключено, і обробити це відповідно (наприклад: пошук відповідного драйвера). Крім того, я не є експертом з акумуляторів, але мені вистачило знань, що для літій-іонних акумуляторів є деякі дивні вимоги до зарядки, щоб уникнути перегріву. Нерозумно думати, що продукт USB може узгоджувати більш оптимальну схему зарядки, як описано тут, враховуючи, що він взаємодіє з індивідуальним драйвером або продуктом на іншому кінці.

Я бачив приклад літій-іонної схеми зарядки - постійний струм, поки напруга акумулятора не досягне 4,0 В, а потім постійне напруга, поки акумулятор не досягне 4,2 В. Можливо, різні батареї мають різні шаблони (знову ж таки, я не знавець акумуляторів).

[...] відбувається насправді щось складніше.

Так. Коротше кажучи, розумні порти використовують хакі нестандартних механізмів зарядки для досягнення оптимальних струмів. Поширене припущення, що всі USB-пристрої базують свої протоколи зарядки виключно на специфікації USB або на розширенні BCS, є помилковим.

У багатьох USB-зарядних пристроях є лише "тупі" плаваючі порти даних, описані BCS, також DCP, виділені порти зарядки.

Розумний порт може діяти як німий порт (DCP), або він може імітувати декілька фірмових портів у випадку, якщо специфікація USB / BC не підтримується або є оптимальною. Ця емуляція може вийти з ладу в певних сценаріях і спричинити проблеми, тому кожна марка смарт-зарядного пристрою намагається виділити себе з точки зору надійності, швидкості та сумісності. Виготовлення їх може включати деяку зворотну техніку.

В ідеалі «розумні» зарядні пристрої не потрібні, і всі пристрої використовуватимуть однаковий стандарт зарядки. Якщо це не хост / зарядний пристрій, він визнає, що пристрій може:

• Заряджайте повільно
• Не стягувати взагалі.
• Заряджайте зі стандартною швидкістю USB (не BCS) (тобто 5 блоків живлення для USB-пристрою з повною потужністю, 1 для малопотужного пристрою, 5 для не переліченого підключення лише для живлення). Зазвичай це повільніше, ніж його макс.
• Заряджайте зі швидкістю BCS, тоді вони можуть витягнути 5A з DCP. Хоча я ніколи не бачив, щоб більше ніж 3A рекламували один порт. Це все ще може бути повільніше, ніж те, що можна зробити із власним зарядним пристроєм.

[...] що відбувається з цими розумними портами, щоб пристрій мав можливість провести більше струму? [...] Чи справді лінії передачі даних USB використовуються для узгодження певної схеми зарядки?

Начебто, залежить від того, яку специфікацію зарядки ви дивитесь. Я вважаю, що Apple використовує лінії передачі даних, але нічого складного не відбувається, вони просто встановлені в 3 В, щоб вказати, що це зарядний пристрій Apple.

DCP - не єдиний порт зарядки, описаний BCS. Деякі (нечисленні) пристрої воліють вимагати перерахування (тобто, використовуючи рукостискання штифтів для передачі даних), і тому потрібен CDP (заряджання порту вниз за течією), що є більш складним, оскільки дозволяє передавати дані на додаток до зарядки. Я вважаю, що порт, повністю сумісний з BCS, тобто може перемикатися між CDP та DCP, може вважатися "розумним", навіть якщо він не імітує будь-які інші технології.

Я б здогадався, що щоб зарядити акумулятор якнайшвидше, ви б намалювали якомога більше струму, [...] напевно вони могли б витягти більше. Чому це?.

Правильно, але тільки якщо зарядний пристрій відповідає їх характеристикам, інакше я думаю, що вони просто не вірять цьому. А може, це стосується конкуренції та патентів, або алгоритмів, що оптимізують ресурс акумулятора. Я думаю, що як цікавіше, ніж чому.

Я також не ЕЕ. (Також програмний інженер з добре прочитаним розумінням любителем електроніки.)

Наскільки я розумію, умова полягає в тому, що звичайні USB-пристрої притягуватимуть максимум 500 мА, не більше. Все більше - це порушення стандарту USB.

"Розумні" USB-зарядні пристрої містять твердотільну логіку з мікросхемами послідовного зв'язку. Коли ви підключаєте пристрій, який бажає більш високого струму, він надсилає запит на джерело живлення, кажучи про щось "Я хочу 2 ампера. Це добре?" Якщо блок живлення - це дамб-порт USB, він взагалі не відповідає, тому пристрій або не працює, або лише черпає 500 мА за замовчуванням (і заряджається набагато повільніше.

У мене телефон Samsung S5 та Примітка 10.1 (видання 2014 року). У мене є вбудований USB-вимірювач, який вимірює напругу, струм та maH. Коли один із цих пристроїв підключено до зарядного пристрою OEM, вихід зарядного пристрою підвищується до 5,5 вольт, а струм заряду становить близько 1,6 Ампер. Якщо я спробую це, використовуючи дешеву бородавку для стін, яка має 1 ампер, напруга залишається на рівні 5,0, і вона заряджається на рівні 0,8 ампер. У мене також є кілька зарядних пристроїв з акумулятором. Більшість з них, хоч і має значення 2 ампер і більше, забезпечують лише 5,0 вольт, а струм заряду залишається близько 0,8 ампер. З цього я роблю висновок, що протокол Samsung призначений для пристроїв вимагати швидкої зарядки одним із способів, зазначених вище, і що зарядний сигнал сигналізує, що він здатний до цього, підвищивши його вихід до 5,5 вольт.