Wsparcie techniczne

Wsparcie serwisowe

Wydarzenia

Polecane produkty

USB-C Power Delivery -- Co sprawia, że kabel USB-C szybko ładuje?

23 sierpnia 2022
USB-C Power Delivery -- Co sprawia, że kabel USB-C szybko ładuje?


Przed pojawieniem się interfejsu Type-C kabel USB mógł dostarczać tylko 2,5W mocy, podczas gdy kabel USB Type-C pozwalał na maksymalną moc do 5V/3A (15W). Jeśli zostanie przyjęty protokół Power Delivery (PD), napięcie i prąd można zwiększyć do 20V/5A (100W), co pozwala na zasilanie dużych urządzeń przez interfejs USB, na przykład ładowanie laptopa dużą baterią.

Ale co sprawia, że kabel USB-C jest szybkim ładowaniem?

FPierwsza, Przyjrzyjmy się interfejsowi USB-C i kablowi USB-C

1. Definicja funkcji PINs USB Type-C

Type-C to forma interfejsu USB. To jedyne złącze USB, które nie przejmuje się przodemStronai z powrotem Strona gdy jest wstawiana. Obsługuje standardowe ładowanie USB, transmisję danych, transmisję wideo, transmisję dźwięku, wyjście wyświetlania i inne funkcje.





Kolejną różnicą między USB Type-C a starszymi standardami jest jego zdolność do podwójnej roli. Oba końce każdego kabla USB Type-C są lustrzane, co oznacza, że oba podłączone urządzenia muszą się ze sobą komunikować, aby zdecydować, czy powinny istnieć jako host czy jako urządzenie peryferyjne. Komunikacja ról musi być przeprowadzana oddzielnie dla danych i zasilania, a prace te powinny być wykonywane po podłączeniu kabla.

Port hosta używany do komunikacji danych nazywa się portem Downstream Facing Port (DFP), a port peryferyjnym to Upstream Facing Port (UFP). W przypadku zasilania, koniec zasilania nazywany jest końcem źródłowym (Źródło), a koniec zużywania energii to koniec sink (Sink). Niektóre urządzenia mogą posiadać zarówno funkcję Dual Roles of Data (DRD) na danych, jak i Dual Roles of Power (DRP) na zasilaczu. The CCPrzewód definiuje rolę zasilacza podczas połączenia między dwoma urządzeniami, komunikując się za pomocą Type-C "Configuration Channel Pin CC"



2. Jak podłączony jest kabel USB-C do USB-C?

Schemat połączeń pełnowymiarowego kabla USB-C na USB-C GEN 2 przedstawia się następująco, dostarczony przez P-Shine Electronic Tech Ltd.

Status (1) Nieodwrócone bezpośrednie połączenie



Powyższy obraz pokazuje połączenie, gdy kabel jestNieodwrócone. Od gniazda po lewej do gniazda po prawej para RX1 jest połączona z parą RX1, para RX2 z parą RX2; D+ jest połączony z D+, D- z D-, SBU1 z SBU2, a CC1 z CC1. .

Czasami VCONN na obu końcach kabla nie wymagają podłączenia (B5 do B5). Gdy elektronikamark Układ (E-mark) jest instalowany na PCB złącza USB-C, na wtyczce B5 w lewej wtyczce i B5 na prawej wtyczcepotrzeba być ze sobą połączone

Stan (2)FPołączenie z krawędzią



Gdy wtyczka i gniazdko po lewej pozostają takie same, a gniazdo po prawej stronierównieżPozostaje bez zmian, ale wtyczka po prawej stronie zmienia się z jednej strony na drugą (USB-C obsługuje wkładanie z przodu i z tyłu), a połączenie USB-Codwrócony

W tym przypadku, od gniazda po lewej do gniazda po prawej, para RX1 jest podłączona do pary TX2, para RX2 do pary TX1, D+ nadal do D+, D- do D-, SBU1 do SBU1, SBU2 do SBU2, a CC1 do CC2 przez CCPrzewód. Obecnie dane o dużej prędkości są przesyłane przez RX1+/- i TX1+/- po lewej do TX2+/- oraz RX2+/- po prawej.

Zarówno lewa, jak i prawa wtyczkamogą Być zaskoczony. Wydaje się, że łącznie istnieją cztery różne metody połączenia, ale w rzeczywistości są tylko dwie: bezpośrednie (odwrócenie obu końców jednocześnie jest równoważne bezpośredniemu) i jednostronne odwrócenieł.

W związku z tym w kablu 3.1 kabla USB-C do USB-C można zobaczyć cztery pary szybkich sygnałów, ale działają jednocześnie tylko dwie pary, kGdy jednostronna wtyczka zostanie przewrócona, pozostałe dwie wolne pary sygnałów mogą zastąpić oryginalną parę działającąs. Albo gdy role hosta i peryferyjnego dla zasilania lub transferu danych się zmieniają, pary sygnałów są stale przełączane.

W systemie USB 3.1 pary danych RX/TX muszą być skonfigurowane dla każdego możliwego stanu połączenia za pomocą multipleksera, aby umożliwić poprawną komunikację. Poniższy rysunek pokazuje możliwości trasowania par danych między portami USB Type-C; orientację wtyczki i gniazda można określić, mierząc stan CC1/CC2 na każdym zacisku, a sterownik logiczny CC może następnie dokończyć konfigurację trasowania multipleksera, zarówno w multiplekserze, jak i w chipsetzie USB.




3. USB-C Power Delivery -- Co sprawia, że kabel USB-C szybko ładuje?

USB PD3.0 dotyczy tylko zasilania kabla i nie ma nic wspólnego z transmisją danych. Tradycyjne kable ładowające USB-A mogą mieć tylko dwa przewody: VBUS i Gound. Jednak kabel USB-C do USB-C zgodny z PD 3.0 wymaga co najmniej trzech przewodów: VBUS, Gound i CC (Channel Configuration).

W kablu USB Type-C, który nie używaa Protokół transferu mocy, czyli metoda transferu mocy od źródła do końca zalewającego, przedstawiona jest na poniższym rysunku



Na końcu źródłowym kabla USB Type-C zawsze znajduje się przełącznik MOSFET do włączania/wyłączania VBUS, może mieć możliwość wykrywania prądu VBUS, jego główną funkcją jest wykrywanie warunków nadprądowych, obwód rozładowania VBUS w nim zacznie działać, gdy wystąpi nadprąd. Obwody detekcyjne CC1 i CC2 znajdują się zarówno na stronie źródła, jak i na końcu zagłębiania.

Rola CC (Channel Configuration)Przewód to konfiguracja zasilacza dla dwóch podłączonych urządzeń. Początkowo na VBUS interfejsu USB Type-C nie ma zasilania. System musi zdefiniować rolę urządzenia podczas podłączenia kabla. Urządzenie z napięciem linii CC na gniazdku podniesionym do góry będzie definiowane jako dostawca zasilania (źródło), natomiast urządzenie z obniżonym napięciem jako odbiorca zasilania (zlew).



Powyższa ilustracja pokazuje, jak określić rolęs dotyczące zasilania i zużycia, orientacji kabla oraz możliwości zasilania prądowego. CC1 i CC2 na końcu źródła są podciągane wysoko przez rezystor Rp, a monitorowane CC1/CC2 są zawsze pod wysokim napięciem, gdy nic nie jest podłączone. Po podłączeniu filtra napięcie CC1 lub CC2 jest obniżane przez rezystor Rd. Ponieważ w kablu jest tylko jeden przewód CC, źródło może wskazać, którystronaCC jest obniżony. Monitorowane jest również napięcie CC1/CC2 przy zlewie, once a CCPrzewód gdy jest wyciągnięta w górę, zmiana poziomu napięcia informuje zlew o możliwości zasilania prądu przez źródło. Rezystor podciągający Rp w układzie można również zastąpić źródłem prądu, co jest łatwe do zaimplementowania w układzie scalonym i może być odporne na błędy napięcia zasilania V+.

Zdefiniowana wartość rezystora pull-down Rd przy zlewie wynosi 5,1KΩ, czyli napięcie CCPrzewód jest określana przez wartość rezystora podciągającego Rp na źródle (lub wartość prądu źródła). Istnieją 3 poziomy prądu autobusowego które zostały zdefiniowane. Najniższa CCPrzewód napięcie (około 0,41V) odpowiada domyślnej specyfikacji mocy USB (500mA dla USB 2.0 lub 900mA dla USB 3.0), a wyższe CCPrzewód napięcie (około 0,92V) ) odpowiada zdolności prądowej 1,5A. Jeśli CCPrzewód napięcie wynosi około 1,68V, odpowiadające muZnacOsiowa zdolność zasilania prądu wynosi 3A. Istotne dane mogą odnosić się do następującego wykresu



Poniższy rysunek pokazuje przypadek pomiaru, w którym strona zasilania (source) jest połączona ze stroną zużycia energii (stusz), używając zwykłego kabla USB-C na USB-C.

Początkowo zarówno CC1, jak i CC2 w gniazdku źródłowym są podciągane do wysokiego napięcia przez rezystor Rp, a zarówno CC1, jak i CC2 na zalewie są obniżane do niskiego napięcia przez rezystor Rd.

Po podłączeniu kabla CC1 lub CC2 jest podciągane do wyższego napięcia w zależności od kierunku włożenia kabla. W tym przypadku kabel nie jest w stanie odwróconym – CC1 na końcu źródła i CC1 na końcu zlewu są połączone, po wpłynieniu napięcia na CC1 przez Rp i Rd, pojawia się nowa wartość, która będzie mierzona przez sink, dzięki czemu będzie wiadomo, jaka jest zdolność zasilania prądowego źródła.

W tym przypadku napięcie CC1 po podłączeniu wynosi około 1,65V, co oznacza, że źródło może dostarczyć maksymalny prąd 3A.

Po CC Przewód gdy zostanie nawiązane połączenie, napięcie 5V na VBUS zostanie włączone.

W systemach bez protokołu dostarczania zasilania, zdolność zasilania prądu na magistrali jest określana przez Rp/Rd, ale źródło dostarcza tylko 5V



Po wdrożeniu protokołu Power Delivery (PD) napięcie magistrali systemu USB Type-C można zwiększyć do maksymalnie 20V, komunikacja między źródłem a zasobnikiem dotycząca napięcia i prądu na szynie odbywa się poprzez przesyłanie szeregowych kodów BMC na przewodzie CC

Schemat ramek systemu USB Type-C, w tym protokół PD ze źródłaStronado zlewuStrona jest przedstawiony na poniższym rysunku



Jak pokazano na powyższym rysunku, strona źródłowa zawiera przetwornik napięcia, który jest sterowany przez sterownik PD po stronie źródła. Przetwornica napięcia może być przetwornicą Buck, Boost, Buck-Boost lub flyback, w zależności od warunków napięcia wejściowego i najwyższych wymagań napięciowych na magistrali. Komunikacja PD przez CCPrzewód jest również pod kontrolą kontrolera PD. System USB PD potrzebuje także przełącznika, aby przełączyć zasilanie Vconn na CCWire.

Po nawiązaniu połączenia kabla, komunikacja SOP protokołu PD rozpoczyna się przez CCPrzewód aby wybrać specyfikację transmisji mocy, Sink zapyta o parametry konfiguracji zasilania (napięcie i prąd magistrali), które źródło może dostarczyć. Ponieważ zapotrzebowanie na moc zAtrament koniec jest częstopowiązanedo urządzenia podłączonego doZlew (np. ładowarki), wbudowany kontroler systemu sAtrament end musi komunikować się z kontrolerem PD na stronie źródłowej, aby określić odpowiednie specyfikacje.

Poniższy rysunek pokazuje przykład opadającego kontrolera PD żądającego wyższego napięcia magistrali.



Komunikacja między zlewem a źródłem na CCPrzewód wygląda jak następujące kroki:

1. SStrona atramentu jest stosowana do uzyskania danych o możliwościach strony źródłowej.

2. Źródło dostarcza informacje o swoich możliwościach.

3. Sink wybiera odpowiednie parametry konfiguracji zasilania na podstawie danych o zdolności dostarczonych przez źródło i wysyła odpowiadające żądanie.

4. Źródło przyjmuje żądanie i modyfikuje napięcie magistrali do odpowiedniego parametru. Podczas zmian napięcia na magistrali zużycie prądu przez zlew jest utrzymywane na jak najmniejszym poziomie. Proces podnoszenia napięcia magistrali na końcu źródła odbywa się zgodnie z określoną prędkością wzrostu napięcia.

5. Po osiągnięciu wartości końcowej napięcia na magistrali, źródło czeka, aż napięcie na magistrali się ustabilizujea potem wysyłając sygnał gotowości mocy doZlew, aW tym momencie zlew może zwiększyć zużycie prądu. Ten sam proces komunikacji zachodzi, gdy sink chce, aby napięcie magistrali spadło, podczas spadku napięcia na magistrali, źródło aktywuje obwód zastawkowy, który szybko obniża napięcie magistrali poprzez aktywne wyładowanie magistrali. Po osiągnięciu wartości nominalnej źródło poczeka jeszcze chwilę, aż napięcie magistrali się ustabilizuje, zanim wyśle sygnał gotowości do zasilania do odbiorcy

Ta metoda komunikacji zapewnia, że wszelkie zmiany mocy na magistrali są w granicach możliwości źródła i zalewu, unikając niekontrolowanych warunków. Gdy połączenie kabla typu C zostaje odłączone, zasilanie magistrali również zostaje wyłączone. Anowe połączenie na pewno wykryje połączenie kabla, a napięcie zawsze wynosi 5V, więcto można uniknąć wysokiego napięcia, gdy kabel jest podłączony między jednym urządzeniem a drugim.

Komunikacja USB PD wykorzystuje Bi-phase Mark Code (BMC), czyli kod komunikacji jednoliniowej. Transmisja danych 1 wymaga procesu przełączania między wysokim a niskim napięciem oraz transmisji danych 0. Jest to stałe wysokie lub niskie napięcie. Każdy pakiet danych zawiera przemian 0/1 wstęp, początek pakietu (SOP), nagłówek pakietu, bajty danych, kod redundancji cyklicznej CRC oraz kod końcowy pakietu (End of Packet). Pakiet, EOC), patrz poniższy rysunek:



Poniższy rysunek przedstawia przebieg komunikacji PD, który wymaga wzrostu napięcia na magistrali z gęstego na rozszerzony. Sekwencja preambuły jest widoczna na ostatnim rozszerzonym przebiegu.



Dane komunikacyjne BMC mogą być dekodowane za pomocą dekodera USB PD, takiego jak analizator EX350 firmy Ellisys. Dzięki temu narzędziu można przechwycić dane komunikacji PD i wyświetlić znaczenie każdego pakietu danych, które zawierają dane związane z czasem, takie jak wartość napięcia magistrali czy przebieg na CCPrzewód, itd., patrz poniższy rysunek




4. Lista konfiguracji zasilania

Specyfikacja USB PD 3.0 definiuje następującą listę konfiguracji zasilaczy:



Istnieją 4 oddzielne wartości napięcia, które są zdefiniowane z góry: 5V, 9V, 15V i 20V. Dla 5V, 9V i 15V maksymalny prąd wynosi 3A. W konfiguracji 20V, jeśli kabel jest normalny, maksymalna dopuszczalna moc to 20V/3A(60W). Jeśli specjalnie dostosowany kabel zElectronicMark (E-Mark) jest używane, odpowiadające dane można powiększyć do 20V/5A(100W). System wspierający najwyższe napięcie i mocOcena musi również obsługiwać wszystkie niższe napięcia i zasilanieOcenas.


5. Kabel zElectronicMark (E-Mark) i jak działa układ E-Mark?

Specyfikacja USB Type-C definiuje różnorodne kable o różnych specyfikacjach. Nie ma specjalnych wymagań dotyczących niskoprędkościowego kabla USB 2.0. Ale jeśli chodzi o kable USB 3.1, które obsługująSuperszybka transmisja danych lub kable o prądach przekraczających 3A,ElectronicMark musi być użyty. Kabel pokazany na poniższym rysunku zawiera układ scalony, którego zadaniem jest identyfikacja cech kabla. Ten żywy kabel może również zawierać układy scalone do kształtowania sygnału, które wymagają zasilania z VCONNwier kabla.



Vconn w kablu zawierającymElectronicMark układ zawiera rezystor pull-down Ra równy 1KΩ, a jego wartość jest mniejsza niż rezystora Rd, który zazwyczaj wynosi 5,1kΩ. Po włożeniu takiego kabla na końcu źródła widać spadek napięcia CC1 i CC2. Zmiana napięcia konkretnego powie gospodarzowi, którykoniec jest ściągnięty w dół przez rezystancję 5,1kΩ końcówki zalewu, oraz którykoniec jest ściągnięty w dół przez 1KΩ opór kabla, więc tKierunek wstawiania kabla można to określić. Efekt pull-down Ra pozwala również stronie źródłowej wiedzieć, że VCONN potrzebuje zasilania 5V, więc musi dostarczyć zasilanie do końca CC, aby sprostać wymaganiom zasilaniaElectronicMark.



Poniższy rysunek pokazuje przypadek testowy, which Koniec zasilania (źródło) jest połączony z końcem zużywającym energię (zlewem) za pomocą kabla zElectronicMark, a kabel jest w stanie odwróconym. Widać, że po podłączeniu kabla CCPrzewód na końcu źródła jest przyciągnięty do bardzo niskiego napięcia przez 1KΩ opór ze strony VCONN.

Źródłokoniec wykryje to napięcie i wie, że kabel zawieraElectronicUkład Marka, więc połączy 5V VCONN z CCPrzewód aby zasilać obwód wewnętrzny kabla.

Komunikacja PD, która nastąpi później, będzie obejmować komunikację między źródłem aElectronicMark (nazywany SOP' lub SOP"),  oraz komunikację między źródłem a zlewem (zwaną SOP)




6. Podwójna rola zasilacza

Niektóre urządzenia USB Type-C mogą być używane zarówno jako źródło, jak i pochłaniacz, i nazywane są urządzeniami obsługującymi podwójne role (Dual Role for Power, DRP). Zaciski CC1 i CC2 tego urządzenia znajdują się w stanie naprzemiennych wysokich i niskich poziomów. Przed połączeniem, po nastąpieniu połączenia, zaciski CC obu się zmieniają, jak pokazano na poniższym rysunku.


W tym przypadku jako źródło wybiera się urządzenie DRP po lewej stronie, a urządzenie DRP po prawej jako zlew. Sytuację tę można również odwrócić, chyba że urządzenie DRP zostało ustawione na źródło jako pierwsze (np. gdy zasilane jest zewnętrznym zasilaczem) lub ustawione na "sink first" (np. gdy zasilane jest baterią).

Przełączanie ról zasilania może również zachodzić podczas połączenia, pod warunkiem, że jedno z dwóch urządzeń DRP inicjuje żądanie zmiany ról. Poniższy rysunek przedstawia proces takiej zmiany ról.






 

+86 13580850092

Copyright 2019 Wszelkie prawa zastrzeżone.

Linki: