Jak działają ładowanie USB i „inteligentne” porty ładowania (np. Anker's PowerIQ)?

Inżynier oprogramowania z hobbystycznym rozumieniem EE tutaj.

Ostatnio zauważyłem wiele twierdzeń producentów akumulatorów USB, że ich porty są „inteligentne” i „identyfikują urządzenie”, aby „dostarczać maksymalny prąd do urządzenia”. Pobieżne spojrzenie na tę sprawę wydaje się sugerować, że nie jest to całkowicie marketingowy język, a dzieje się coś bardziej skomplikowanego.

Nie rozumiejąc subtelnej chemii akumulatorów litowo-jonowych ani natury kontrolerów ładowania, sądzę, że aby naładować akumulator tak szybko, jak to możliwe, pobierzesz jak najwięcej prądu, ograniczając go tylko do specyfikacji akumulatora. Nie może tak być, ponieważ udokumentowano, że urządzenia ograniczają ładowanie do 1A w niektórych przypadkach, kiedy na pewno mogą pobierać więcej. Dlaczego to?

Jeśli bieżący pobór jest tak kontrolowany, co się dzieje z tymi inteligentnymi portami, aby umożliwić urządzeniu pobieranie większego prądu? Na stronie produktu dotyczącej baterii Anker twierdzą, że ich porty identyfikują urządzenie i „mówią jego unikalnym językiem ładowania” (to frazowanie wywołuje u mnie mdłości). Może jednak nie powinienem tak surowo reagować na takie sformułowanie - czy linie danych USB są faktycznie używane do negocjowania jakiegoś schematu ładowania?

Dzięki!

Istnieją dwa dodatki do specyfikacji USB, które pozwalają na prąd większy niż 500mA.

specyfikacja ładowania akumulatora USB 1.1 . Pozwala na do 1,3A.

specyfikacja ładowania akumulatora USB 1.2 (i to ). Pozwala na do 5A.

Podsumowanie:

• USB 2.0 - prąd BCS 1.1: 1.3A, brak transmisji danych.
• USB 2.0 - BCS 1.2: 5A prąd z danymi.
• USB 3.0 - Obsługa prądu BCS 1.2: 5A, ale prąd ograniczony do 1,5A, brak danych.

Więcej można znaleźć tutaj

Edycja: Czasami producent nie przestrzega standardu i używa czegoś zastrzeżonego. Czasami „czymś zastrzeżonym” byłoby po prostu pozwolić, aby piny danych wisiały w powietrzu lub przy określonym napięciu, a następnie dostarczały dowolną ilość prądu ...

W praktyce „inteligentne” ładowarki używają specjalnego układu zwanego dedykowanym kontrolerem portu ładowania . Kontroler DCP może działać jak różne ładowarki i wybiera tryb, który wydaje się działać najlepiej.

Wynika to z faktu, że zwykłe („głupie”) ładowarki ścienne wykorzystują połączenia USB do przesyłania danych w statyczny, analogiczny sposób, do czego są zdolne. „Inteligentne” ładowarki mogą zrobić to samo, ale w mniej statyczny sposób: obserwują zachowanie urządzenia ładującego i odejmują od tego idealną konfigurację - którą następnie mogą naśladować.

Przykładami układów kontrolerów dedykowanych portów ładowania są kontrolery portów ładowania USB z serii TPS2510 firmy Texas Instruments, kontrolery portów USB z serii Maxim MAX14600 identyfikatory / emulatory adapterów USB oraz kontrolery portów szybkiego ładowania USB Norelsys NS3601 .

Obraz z arkusza danych TPS2513a (TI dotyczące praw autorskich):

Podobnie, MAX14600 (Copyright Maxim):

Widać, że linie danych USB („DP” i „DM”) mają kilka konfigurowalnych zasobów, które są kontrolowane przez pewną „inteligentną” logikę.

Jakieś wyjaśnienie

Różne urządzenia wymagające opłat wymagają różnych rodzajów ładowarek. Wynika to częściowo z faktu, że specyfikacja USB początkowo nie określała zachowania „ładowania”, a częściowo dlatego, że niektórzy producenci chcą, aby ich urządzenia ładowały się jak najszybciej za pomocą własnych wtyczek. Ponadto urządzenie nie może pobierać większego prądu niż można założyć, aby było dozwolone , aby uniknąć ryzyka przegrzania nieprawidłowo zaprojektowanego źródła zasilania.

Uwaga: poniższe objaśnienie ignoruje technologie USB3, USB Power Delivery i Qualcomm Quick Charge, co jeszcze bardziej komplikuje sprawę (np. Obsługuje zwiększenie napięcia powyżej 5 woltów).

Można wyróżnić następujące typy gniazd USB:

• Zwykły port USB (jak na komputerze). Nazywa się to SDP , Standard Down Port. SDP dostarcza do 100 mA i może zwiększyć ten limit do 500 mA, jeśli podłączone urządzenie ładnie o to poprosi, a host USB zgadza się, że jest to możliwe i dozwolone.
  • W praktyce prawie wszystkie SDP dostarczają 500mA nawet bez odpowiedniej komunikacji. Gadżety USB, takie jak małe wentylatory i podgrzewacze kubków, nie komunikują się, ale nadal wymagają więcej niż 100 mA.
• Port USB z możliwością komunikacji i dodatkową funkcją ładowania. Nazywa się to CDP : Port ładowania poniżej. Ten może dostarczyć do 1500mA. Brak komunikacji z urządzeniami końcowymi może poinformować o tym ładowarkę, podłączając linie danych USB D + i D- z rezystancją lub zwarciem.
• Chińska norma branży telekomunikacyjnej YD / T 1591-2009 poprzedza i inspiruje specyfikację CDP. Określa zwarcie między D + i D-.
• Port USB bez możliwości komunikacji (np. We wtyczce). Nazywa się to DCP : dedykowany port ładowania. Jest to w zasadzie CDP bez możliwości rozmowy z hostem USB (PC).
• Porty DCP, które nie są zgodne ze specyfikacjami DCP (od wersji USB do ładowania akumulatorów w wersji 1.2). Te wtyczki ścienne mają różne konfiguracje rezystorów podłączonych do linii danych, co skutkuje stałymi napięciami, które mogą być odczytane przez urządzenie ładujące. Lista „rozpoznawalnych” napięć jest bardzo długa, to tylko fragment:
  • Apple 0,5A (D + przy 2 V, D- przy 2 V)
  • Apple 1A (2 V / -2,8 V)
  • Apple 2.1A (2.7 V / 2.0 V)
  • Apple 2,4 A (2,7 V / 2,0 V)
  • Sony (3,3 V / 3,3 V)
  • Wiele (w tym Samsung) 2A (1,2 V / 1,2 V)

„Inteligentne” ładowarki - tj. Znajdujące się w nich układy kontrolera DCP - mogą emulować standardowy port DCP o różnych wartościach rezystorów, a także mogą emulować kilka niestandardowych napięć DCP.

Tajny sos

Producenci chipów tak naprawdę nie opisują, w jaki sposób działa ich logika „wykrywania”, ale jedyną dostępną opcją jest monitorowanie działania urządzenia ładującego na liniach D + i D- oraz przyglądanie się pobieranemu prądowi.

Bez wątpienia wymaga to wielu badań prób i błędów, a algorytm jest prawdopodobnie trzymany w ścisłej tajemnicy.

Jedną z technik, które mogą być stosowane, to aby przejść przez emulowane państw i zwracając uwagę na ilość prądu, który jest rysowany. Stan o najwyższym poborze prądu jest wtedy „najlepszy” i pozostaje aktywny.

Dygresja

Nie należy mylić marketingu producentów ładowarek, który twierdzi, że ładowarki „ dostarczają maksymalny prąd do urządzenia”. Gniazdo USB jest źródłem napięcia ; kontroluje tylko napięcie i to urządzenie ładujące „decyduje”, ile prądu „pobiera” podczas ładowania.

Dlatego nie ma mowy, by ładowarka „wtłoczyła” prąd do urządzenia, które go nie przyjmuje, przynajmniej nie pozostając poniżej bezpiecznego maksimum 5,1 V.

Jedyne, co się dzieje, to pewne sztuczki, aby urządzenie ładujące uwierzyło, że jest podłączone do najbardziej wydajnej, najlepiej dostosowanej, najbardziej kompatybilnej ładowarki, jaką może sobie wyobrazić.

Dalsze linki

• 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

Jestem także inżynierem oprogramowania, ale część mojej pracy polega na czytaniu dokumentów specyfikacji USB. Oto co wiem:

Istnieją dwa oficjalne protokoły dotyczące zasilania przez USB. Pierwszy, BCD, został wydany w 2007 roku i zaktualizowany w 2010 roku. Wykorzystuje różne triki linii danych, aby określić, ile mocy może spaść urządzenie znajdujące się za nim. To nie musi być pełny uścisk dłoni USB. Na przykład dedykowana ładowarka identyfikuje się jako taka przez zwarcie D + do D-. To wskazuje, że urządzenie znajdujące się za urządzeniem może spaść do maksymalnego prądu ładowania, który moim zdaniem wynosi 1,5 A. Możesz przeczytać specyfikację BCD tutaj .

Nowszym protokołem jest PD (Power Delivery), który jest dystrybuowany jako część głównej specyfikacji USB . PD jest naprawdę interesujące. Pozwala to na wymianę informacji o mocy raczej na liniach napięciowych niż na liniach danych i może obsłużyć do 100 W (20 V / 5 A). Jednak w aplikacjach o dużej mocy kabel musi być oznaczony elektronicznie, aby wskazać, że okablowanie może obsługiwać wysokie napięcie / wysoki prąd bez topnienia. :-) W specyfikacji zdefiniowano kilka „oznaczeń”, ale wszystkie wydają się polegać na upuszczeniu rezystora lub kondensatora między dwoma pinami we wtyczce.

To powiedziawszy, prawdopodobieństwo, że jakikolwiek kabel lub ładowarka faktycznie poprawnie wdroży całą specyfikację, wydaje się dość niskie. Możesz śledzić exploity Bensona Leunga na Amazon.com, aby zobaczyć, w jaki sposób producenci odkryli, że to popsuło.

Nie wiem na pewno, ale myślę, że jest bardzo prawdopodobne, że etykiety marketingowe, takie jak „PowerIQ”, wskazują ładowarki, które starają się osiągnąć zgodność z jak największą liczbą urządzeń i kabli, w tym tych, które są beznadziejnie niestandardowe. Niestety, nie ma dobrego sposobu na określenie, w jaki sposób jakaś konkretna ładowarka zbliża się do tego ideału.

(stary temat, ale nowe informacje oparte na najnowszej specyfikacji USB).

Jak już wspomniano, nowe specyfikacje USB pozwalają na napięcie ładowania wyższe niż 5 V, jeśli urządzenie tego zażąda.

Pod rozszerzeniem „USB Power Delivery” (PD) (USB PD wersja 3.0, teraz wersja 1.0a) do podłączonego urządzenia można dostarczyć do 5 A przy 5 V, 9 V, 15 V lub 20 V. o mocy 100 W. Istnieje wiele zasad, których „urządzenie żądające” musi przestrzegać w takich przypadkach.

Zwykle dotyczy to komputerów przenośnych lub innych urządzeń, które mają większą liczbę komórek i / lub napięcia robocze. Kable muszą być również zaprojektowane i dostosowane do tych warunków.

(tak, jestem EE ... od ponad 35 lat)

Podzielam twoje mdłości w tym języku, jednak zgadzam się, że prawdopodobnie jest w tym trochę prawdy. Urządzenia USB deklarują się na podstawie identyfikatora dostawcy, produktu i urządzenia, aby host mógł rozpoznać podłączone urządzenie i odpowiednio je traktować (np. Znalezienie odpowiedniego sterownika). Co więcej, nie jestem ekspertem od akumulatorów, ale byłem wystarczająco narażony, aby wiedzieć, że akumulatory litowo-jonowe mają dziwne wymagania dotyczące ładowania, aby uniknąć przegrzania. Nie jest nierozsądne sądzić, że produkt USB może wynegocjować bardziej optymalny wzorzec ładowania, jak opisano tutaj, biorąc pod uwagę, że współpracuje on z dostosowanym sterownikiem lub produktem z drugiej strony.

Przykładem wzoru ładowania Li-ion, który widziałem, jest stały prąd, aż napięcie akumulatora osiągnie 4,0 V, a następnie stałe napięcie, aż akumulator osiągnie 4,2 V. Być może różne baterie mają różne wzorce (ponownie, nie jestem ekspertem od baterii).

[...] dzieje się coś bardziej skomplikowanego.

Tak. Krótko mówiąc, inteligentne porty wykorzystują hacki niestandardowych mechanizmów ładowania, aby osiągnąć optymalne prądy. Powszechne założenie, że wszystkie urządzenia USB opierają swoje protokoły ładowania wyłącznie na specyfikacji USB lub rozszerzeniu BCS, jest fałszywe.

Wiele ładowarek USB ma tylko „głupie” pływające porty danych opisane przez BCS, czyli DCP, Dedykowane porty ładowania.

Inteligentny port może działać jak głupi port (DCP) lub może emulować kilka zastrzeżonych portów w przypadku, gdy specyfikacja USB / BC nie jest obsługiwana lub optymalna. Ta emulacja może ulec awarii w niektórych scenariuszach i powodować problemy, dlatego każda marka inteligentnych ładowarek stara się wyróżniać pod względem niezawodności, szybkości i kompatybilności. Ich wykonanie może wymagać inżynierii wstecznej.

Idealnie byłoby, gdyby „inteligentne” ładowarki nie były potrzebne, a wszystkie urządzenia korzystałyby z tego samego standardu ładowania. Jeśli nie jest to host / ładowarka, rozpozna urządzenie, które może:

• Ładuj powoli
• W ogóle nie pobiera opłat.
• Ładowanie przy standardowej specyfikacji USB (nie BCS) (tj. 5 jednostek mocy dla urządzenia USB pełnej mocy, 1 dla małej mocy, 5 dla niewymienionego połączenia tylko z zasilaniem). Jest to zwykle wolniejsze niż maks.
• Naładuj z prędkością BCS, a następnie mogą pobrać nawet 5A z DCP. Chociaż nigdy nie widziałem więcej niż 3A reklamowanych dla jednego portu. Może to nadal być wolniejsze niż w przypadku własnej ładowarki.

[...] co się dzieje z tymi inteligentnymi portami, aby umożliwić urządzeniu pobieranie większego prądu? [...] czy linie danych USB są rzeczywiście używane do negocjacji jakiegoś schematu ładowania?

Trochę zależy od tego, na którą specyfikację ładowania patrzysz. Wierzę, że Apple używa linii danych, ale nic skomplikowanego się nie dzieje, są one ustawione na 3 V, aby wskazać, że jest to ładowarka Apple.

DCP nie jest jedynym portem ładowania opisanym przez BCS. Niektóre (nieliczne) urządzenia wolą wymagać wyliczenia (tj. Uzgadniania pinów danych) i dlatego potrzebują CDP (port ładowania za portem), który jest bardziej złożony, ponieważ umożliwia przesyłanie danych oprócz ładowania. Przypuszczam, że port, który jest w pełni zgodny z BCS, tzn. Może przełączać się między CDP i DCP, może być uważany za „inteligentny”, nawet jeśli nie emuluje żadnych innych technologii.

Sądzę, że aby jak najszybciej naładować baterię, pobrałbyś jak najwięcej prądu, [...] na pewno mogliby pobierać więcej. Dlaczego to?.

Prawidłowe, ale tylko wtedy, gdy ładowarka spełnia ich specyfikacje, w przeciwnym razie myślę, że po prostu jej nie ufają. A może ma to związek z konkurencją i patentami lub algorytmami optymalizującymi żywotność baterii. Myślę jednak, że to jest bardziej interesujące niż dlaczego.

Ja też nie jestem EE. (Również inżynier oprogramowania z dobrze znanym hobbystycznym rozumieniem elektroniki.)

Rozumiem, że konwencja głosi, że normalne urządzenia USB będą pobierać maksymalnie 500 mA, nie więcej. Wszystko inne stanowi naruszenie standardu USB.

„Inteligentne” ładowarki USB zawierają logikę półprzewodnikową z szeregowymi układami komunikacyjnymi. Po podłączeniu urządzenia, które chce wyższego prądu, wysyła zapytanie do zasilacza, mówiąc coś w stylu „Chcę 2 amperów. Czy to w porządku?” Jeśli zasilacz jest zrzutowym portem USB, w ogóle nie odpowiada, więc urządzenie albo nie działa, albo pobiera tylko domyślną wartość 500 mA (i ładuje się znacznie wolniej.

Mam telefon Samsung S5 i notatkę 10.1 (edycja 2014). Mam wbudowany miernik USB, który mierzy napięcie, prąd i maH. Gdy jedno z tych urządzeń zostanie podłączone do ładowarki OEM, moc wyjściowa ładowarki wzrośnie do 5,5 wolta, a prąd ładowania wyniesie około 1,6 ampera. Jeśli spróbuję tego przy użyciu taniej brodawki ściennej o wartości 1 A, napięcie pozostanie na poziomie 5,0 i ładuje się na poziomie 0,8 A. Mam też kilka ładowarek na baterie. Większość z nich, choć o wartości 2 amperów lub większej, zapewnia jedynie 5,0 woltów, a prąd ładowania pozostaje na poziomie około 0,8 ampera. Na tej podstawie dochodzę do wniosku, że protokół Samsunga wymaga, aby urządzenia żądały szybkiego ładowania jednym ze sposobów wymienionych powyżej i że ładowarka sygnalizuje, że jest w stanie to zrobić, podnosząc moc wyjściową do 5,5 wolta.