Техническая поддержка

Сервисная поддержка

Мероприятия

Рекомендуемые продукты

USB-C Power Delivery — что делает кабель USB-C быстрым для зарядки?

23 августа 2022 года
USB-C Power Delivery — что делает кабель USB-C быстрым для зарядки?


До появления интерфейса Type-C USB-кабель мог обеспечивать только 2,5 Вт мощности, тогда как кабель USB Type-C позволял максимальную мощность достигать 5 В/3А (15 Вт). Если применить протокол Power Deliver (PD), напряжение и ток можно увеличить до 20 В/5А (100 Вт), что позволяет подключать питание крупных устройств через USB-интерфейс, например, зарядку ноутбука большой батареей.

Но почему USB-C кабель быстро заряжается?

FПервый, Давайте рассмотрим интерфейс USB-C и кабель USB-C

1. Определение функции PIN-кодаsUSB Type-C

Type-C — это разновидность USB-интерфейса. Это единственный USB-разъём, который не заботится о передней частиБоки обратноБоккогда он вводятся. Он поддерживает стандартную зарядку USB, передачу данных, передачу видео, аудиопередачу, вывод дисплея и другие функции.





Ещё одно отличие USB Type-C от старых стандартов — его возможность двойной функции. Оба конца каждого USB Type-C кабеля зеркальны, что означает, что два подключённых устройства должны взаимодействовать друг с другом, чтобы определить, должны ли они существовать как хост или периферийный устройство. Передача ролей должна осуществляться отдельно для передачи данных и питания, и эта работа должна выполняться после подключения кабеля.

Хост-порт, используемый для передачи данных, называется Downstream Facing Port (DFP), а периферийный порт — Upstream Facing Port (UFP). С точки зрения источника питания, конец источника питания называется источником (Источник), а конец энергопотребления — конец погружения (Sink). Некоторые устройства могут иметь как Dual Roles of Data (DRD) на данных, так и Dual Roles of Power (DRP) на блоке питания. The CCПроводопределяет роль источника питания при соединении между двумя устройствами, осуществляя связь через Type-C «Конфигурационный канал контакта CC»



2. Как подключается кабель USB-C к USB-C?

Схема подключения полнофункционального кабеля USB-C к USB-C второго поколения приведена следующим образом, предоставленная компанией P-Shine Electronic Tech Ltd.

Статус (1) Неперевернутое прямое соединение



На изображении выше показано соединение, когда кабельUnflipped. От гнезда слева к гнезду справа пара RX1 соединена с парой RX1, пара RX2 — к паре RX2; D+ подключается к D+, D- — к D-, SBU1 — к SBU2, а CC1 — к CC1. .

Иногда VCONN на обоих концах кабеля не нужно подключать (B5 на B5). Когда электронныеМаркЧип (E-марка) устанавливается на плату разъёма USB-C, B5 левого штекера и B5 правого разъёмануждаетсябыть связаны друг с другом

Штат (2)FСвязь с губами



Когда вилка и розетка слева остаются прежними, а розетка справаТакжеВсё остаётся прежним, но штекер справа меняется с одной стороны на другую (USB-C поддерживает вставку спереди и сзади), подключение USB-Cперевернул

В этом случае от гнезда слева к соёму справа пара RX1 подключена к паре TX2, пара RX2 — к паре TX1, D+ всё ещё с D+, D- — с D-, SBU1 Connect к SBU1, SBU2 к SBU2 и CC1 к CC2 через CCПровод. Теперь высокоскоростные данные передаются через RX1+/- и TX1+/- слева на TX2+/- и RX2+/- справа.

И левый, и правый вилкиможетбыть перевернутым. Кажется, что всего существует четыре разных метода соединения, но на самом деле их всего два: прямое (переворачивать оба конца одновременно эквивалентно прямому) и одностороннее переключениеed.

Таким образом, в кабеле 3.1 USB-C к USB-C можно увидеть четыре пары высокоскоростных сигналов, но одновременно работают только две пары, wКогда односторонняя вилка перевернута, две другие свободные пары сигналов могут заменить исходную рабочую паруs. Или по мере изменения ролей хоста и периферии для питания питания или передачи данных, пары сигналов постоянно переключаются.

В системе USB 3.1 пары данных RX/TX необходимо настраивать для каждого возможного состояния соединения с помощью мультиплексора, чтобы можно было сформировать правильную связь.На рисунке ниже показаны возможности маршрутизации пар данных между портами USB Type-C, ориентацию вилки и разъёма можно определить, измеряя состояние CC1/CC2 на каждом клемме, после чего контроллер логической системы CC может завершить конфигурацию маршрутизации мультиплексора — либо в мультиплексоре, либо в чипсете USB.




3. USB-C Power Delivery — что делает кабель USB-C быстрым для зарядки?

USB PD3.0 связан только с блоком питания кабеля и не связан с передачей данных. Традиционные кабели USB-A для зарядки могут быть только двумя проводами — VBUS и Gound. Однако кабель USB-C на USB-C, соответствующий PD 3.0, требует как минимум трёх проводов: VBUS, Gound и CC (Channel Configuration).

В кабеле USB Type-C, который не используетaПротокол передачи мощности, способ передачи мощности от исходного конца к концу раковины показан на рисунке ниже



Исходный конец кабеля USB Type-C всегда содержит MOSFET переключатель для включения/выключения VBUS, он может обладать способностью обнаруживать ток VBUS, его основная функция — обнаруживать перегрузочные условия,цепь разряда VBUS в нём начнёт работать при возникновении перегрузки тока. Цепи обнаружения CC1 и CC2 существуют как на исходном, так и на конце погружения.

Роль CC (конфигурации канала)Провод— это настройка блока питания для двух подключённых устройств. Изначально на VBUS интерфейса USB Type-C нет блока питания. Система должна определить роль устройства во время подключения кабеля.Устройство с поднятым напряжением линии CC на розетке будет определено как источник питания, а устройство с пониженным напряжением — как потребитель электроэнергии (sink).



На рисунке выше показано, как определить рольsпитания и потребления, ориентации кабеля и возможности подачи тока. CC1 и CC2 на конце источника подтягиваются высоко резистором Rp, а контролируемый CC1/CC2 всегда находится на высоком напряжении, когда ничего не подключено. После подключения раковины напряжение CC1 или CC2 снижается резистором Rd . Поскольку в кабеле только один CC-провод, источник может определить, какой именноСторонаCC опускается низко. Также контролируется напряжение CC1/CC2 в раковине, once a CCПроводесли его подняли вверх, изменение уровня напряжения позволит раковине узнать о возможности источника питания тока. Резистор подтягивания Rp в схеме также может быть заменён источником тока, что легко реализовать в интегральной схеме и устойчиво к ошибкам напряжения питания V+.

Определённое значение резистора натяжения вниз Rd в погружении равно 5,1KΩ, то есть напряжение CCПроводопределяется значением резистора подтягивания Rp в источнике (или текущим значением источника тока). Существует 3 уровня тока шины которые были определены. Самый низкий CCПроводнапряжение (около 0,41 В) соответствует стандартной спецификации питания USB (500 мА для USB 2.0 или 900 мА для USB 3.0), а также более высокому CCПроводнапряжение (около 0,92 В) соответствует токовой способности 1,5 А. Если CCПроводнапряжение около 1,68 В, что соответствуетMВозможность подачи аксимуального тока составляет 3 А. Соответствующие данные могут относиться к следующему рисунку



На рисунке ниже демонстрируется пример измерения, в котором сторона питания (Source) подключён к части энергопотребления (Sчернила), используя обычный кабель USB-C на USB-C.

Изначально и CC1, и CC2 на исходном гнезде подтягиваются до высокого напряжения резистором Rp, а CC1 и CC2 на раковине опускаются до низкого напряжения с помощью резистора Rd.

После подключения кабеля CC1 или CC2 подтягиваются до более высокого напряжения в зависимости от направления вставки кабеля. В данном случае кабель не находится в перевернутом состоянии, CC1 на исходном конце и CC1 на конце раковины соединены,после того как напряжение на CC1 будет изменено Rp и Rd, появляется новое значение, это напряжение измеряется стоком, и таким образом будет известно, какова токовая мощность источника.

В этом случае напряжение CC1 после подключения составляет около 1,65 В, что означает, что источник может подавать максимальный ток 3А.

После CCПроводсоединение установлено, 5V напряжение на VBUS будет включено.

В системах без протокола подачи питания ток на шине определяется Rp/Rd, но источник питает только 5 В



После внедрения протокола Power Delivery (PD) напряжение шины системы USB Type-C может быть увеличено до максимума 20 В, связь между источником и приемником относительно напряжения и тока шины осуществляется путем передачи последовательных BMC-кодов по CC-проводу

Схема системного кадра системы USB Type-C, включая протокол PD от источникаБокК раковинеБокпоказано на рисунке ниже



Как показано на рисунке выше, на стороне источника находится преобразователь напряжения, управляемый контроллером PD на стороне источника. Преобразователь напряжения может быть Buck, Boost, Buck-Boost или flyback в зависимости от условий входного напряжения и максимальных требований к напряжению шины. Коммуникация PD через CCПроводтакже находится под контролем контроллера PD. USB-система PD также нуждается в переключателе для переключения питания Vconn на CCПроволока.

Когда соединение кабеля установлено, SOP-коммуникация протокола PD начинается через CCПроводдля выбора спецификации передачи мощности,Раковина запрашивает параметры конфигурации мощности (данные напряжения и тока шины), которые может предоставить источник. Поскольку спрос на мощность для sчернилаконец частоСвязанныек устройству, подключённому кSink(например, зарядное устройство), встроенный системный контроллер sчернилаend должен взаимодействовать с PD-контроллером исходного конца для определения соответствующих спецификаций.

На рисунке ниже показан пример опускающегося контроллера PD, запрашивающего более высокое напряжение шины.



Связь между раковиной и источником на CCПровод выглядит следующим шагом:

1. SInk Side применяется для получения данных о возможностях исходной стороны.

2. Источник предоставляет информацию о своих возможностях.

3. Погрузитель выбирает соответствующие параметры конфигурации мощности из данных о возможностях, предоставленной источником, и отправляет соответствующий запрос.

4. Источник принимает запрос и изменяет напряжение шины до соответствующего параметра. Во время смены напряжения шины потребление тока в раковине поддерживается как можно меньше. Процесс повышения напряжения шины на конце источника выполняется согласно определённой скорости повышения напряжения.

5. После того как напряжение шины достигнет конечного значения, источник будет ждать стабилизации напряжения на шинеа затемотправка сигнала готовности к питаниюПотонуть, aВ этот момент раковина может увеличить расход тока. Тот же процесс коммуникации происходит, когда погрузчик хочет, чтобы напряжение шины снизилось, во время падения напряжения на шине источник активирует шунтовую цепь, которая быстро снижает напряжение шины за счёт активного разряда шины. После достижения номинального значения источник будет немного дольше ждать стабилизации напряжения шины, прежде чем отправить сигнал готового к питанию потребителю

Такой способ связи гарантирует, что любые изменения мощности на шине находятся в пределах возможностей источника и погрузчика, избегая неконтролируемых условий. Когда соединение кабеля Type-C отключается, питание на шине также отключается. AНовое подключение точно будет определять кабельное соединение, и напряжение всегда 5В, так чтоЭтоможет избежать высокого напряжения, если кабель подключён от одного устройства к другому.

Связь через USB PD использует двухфазный код маркировки (BMC), который является однолинейным кодом. Передача данных 1 требует переключения между высокими и низкими напряжениями, а передача данных 0. Это фиксированное высокое или низкое напряжение. Каждый пакет данных содержит 0/1 чередующуюся преамбулу, начало пакета (SOP), заголовок пакета, байты информационных данных, код циклической резервации CRC и код конца пакета (End of Packet). Packet, EOC), см. рисунок ниже:



На рисунке ниже показана форма сигнала PD-коммуникации, требующей увеличения напряжения шины с плотного на расширенное. Последовательность преамбулы видна по последней расширенной форме волны.



Данные связи BMC можно декодировать с помощью USB-PD-декодера, например, анализатора EX350 от Ellisys. С помощью этого инструмента можно зафиксировать данные PD-коммуникации и отображать значение каждого пакета данных, содержащий временные данные, такие как значение напряжения шины, форма волны на CCПровод, и т.д., см. рисунок ниже




4. Список конфигураций мощности

Спецификация USB PD 3.0 определяет следующий список конфигураций блока питания:



Есть 4 отдельных значения напряжения, которые заранее заданы: 5V, 9V, 15V и 20V. Для 5V, 9V и 15V максимальный ток составляет 3A. В конфигурации 20 В, если кабель нормальный, максимальный допустимый выход составляет 20 В/3А(60W). Если специально кастомизированный кабель сEЛектроникМарк (E-Mark)используется, соответствующие данные могут быть увеличены до 20 В/5А(100W). Система, поддерживающая самое высокое напряжение и мощностьОценкаТакже необходимо поддерживать все более низкие напряжения и мощностьОценкаs.


5. Кабель сEЛектроникМарк (E-Mark) и как работает чип E-Mark?

Спецификация USB Type-C определяет различные кабели с разными спецификациями. К низкоскоростному кабелю USB 2.0 особых требований нет. Но для USB 3.1 кабелей, которые поддерживаютсупербыстрая передача данных или кабели с токами более 3А,EЛектроникМаркнужно использовать. Кабель, показанный на рисунке ниже, содержит ИС, функция которой — определять характеристики кабеля. Этот активный кабель также может содержать интегральную схему для формирования сигнала, для которых требуется питание от VCONNВирКабеля.



Vconn в кабеле, содержащемEЛектроникМаркчип содержит подтягивающий резистор Ra равен 1KΩ, и его значение меньше, чем резистор Rd, который обычно составляет 5,1 кОм. Когда такой кабель вставляется, источник увидит падение напряжения CC1 и CC2. Конкретное изменение напряжения подскажет ведущему, какоеКонецопускается сопротивлением 5,1 кОм конца погружения, и которыеКонецтянется вниз 1KΩ сопротивление кабеля, так что тНаправление вводакабеляможно определить. Эффект вытягивания вниз от Ra также позволяет источнику понять, что VCONN нуждается в источнике питания 5V, поэтому он должен подавать питание на CC конец для удовлетворения потребностей в питанииEЛектроникМарк.



На рисунке ниже показан тестовый случай,whichКонец блока питания (источник) подключён к концу потребления энергии (sink) через кабель с помощьюEЛектроникМарк, и кабель находится в перевернутом состоянии. Видно, что при подключении кабеля CCПроводна конце источника он подтягивается до очень низкого напряжения с помощью 1KΩ сопротивление со стороны VCONN.

ИсточникКонецопределит это напряжение и узнает, что кабель содержитEЛектроникМарк чип, то есть он подключит 5V VCONN к CCПроводдля подачи питания на внутреннюю цепь кабеля.

Дальнейшая коммуникация по ПД будет включать связь между источником иEЛектроникМарк(называется SOP или SOP»), а также связь между источником и погружителем (называемой SOP)




6. Двойная роль источника питания

Некоторые USB-устройства Type-C могут использоваться как источник и погрузитель, и называются устройствами, поддерживающими двойные роли (Dual Role for Power, DRP). Клеммы CC1 и CC2 этого устройства находятся в состоянии чередующихся высоких и низких уровней. Перед подключением, после возникновения соединения, клеммы CC обоих изменятся, как показано на рисунке ниже.


В этом случае DRP-устройство слева выбирается источником, а DRP-устройство справа — раковиной. Эту ситуацию также можно изменить, если только устройство DRP не было установлено на источник первым источником (например, если питание от внешнего адаптера питания) или не было настроено на «sink» (например, если оно питается от батареи).

Переключение ролей питания также может происходить во время подключения, если одно из двух устройств DRP инициирует запрос на переключение роли. Следующий рисунок показывает процесс такой смены ролей.






 

Авторские права 2019 Все права защищены.

Ссылки: