Как работают зарядка через USB и «умные» порты зарядки (например, PowerIQ от Anker)?

Инженер-программист с энтузиазмом по EE здесь.

В последнее время я заметил много заявлений от производителей аккумуляторов USB о том, что их порты «умные» и «идентифицируют устройство», чтобы «обеспечить максимальный ток для устройства». Беглый взгляд на этот вопрос, кажется, подразумевает, что это не совсем маркетинговый язык, и на самом деле происходит нечто более сложное.

Не понимая тонкую химию литий-ионных батарей или природу контроллеров заряда, я бы предположил, что для зарядки батареи как можно быстрее, вы потребляете как можно больше тока, ограничивая его только характеристиками батареи. Это не должно иметь место, поскольку задокументировано, что в некоторых случаях устройства ограничивают свою зарядку до 1А, когда, несомненно, они могут больше рисовать. Почему это?

Если потребление тока контролируется таким образом, что происходит с этими интеллектуальными портами, чтобы устройство могло получать больше тока? Со страницы продукта для батареи Anker они утверждают, что их порты идентифицируют устройство и «говорят на его уникальном языке зарядки» (эта фраза вызывает у меня тошноту). Может быть, мне не следует так резко реагировать на эту фразу - действительно ли линии передачи данных USB используются для согласования некоторой схемы зарядки?

Благодарность!

Есть два дополнения к спецификации USB, которые допускают ток более 500 мА.

Спецификация зарядки аккумулятора USB 1.1 . Допускает до 1,3А.

спецификация зарядки аккумулятора USB 1.2 (и это ). Позволяет до 5А.

Резюме:

• USB 2.0 - BCS 1.1: ток 1,3А, передача данных отсутствует.
• USB 2.0 - BCS 1.2: ток 5А с данными.
• USB 3.0 - BCS 1,2: 5 А, токовая обработка, но ток ограничен 1,5 А, данные отсутствуют.

Больше можно найти здесь

Изменить: Иногда производитель не следует стандарту и использует что-то запатентованное. Иногда «что-то запатентованное» может состоять в том, чтобы просто позволить выводам данных висеть в воздухе или при определенном напряжении, а затем подавать произвольное количество тока ...

На практике «умные» зарядные устройства используют специальный чип, называемый контроллером выделенного порта зарядки . Контроллер DCP может действовать как разные зарядные устройства и выбирает режим, который, кажется, работает лучше всего.

Это связано с тем, что обычные («тупые») настенные зарядные устройства используют USB-соединения для передачи данных, чтобы передавать статическим аналоговым способом то, на что они способны. «Умные» зарядные устройства могут делать то же самое, но менее статично: они следят за поведением зарядного устройства и выводят из этого идеальную настройку, которую они затем могут эмулировать.

Примеры выделенного заряда порта чипов контроллера являются Texas Instruments TPS2510 «USB зарядного порта контроллер» серии, Максим MAX14600 серии «USB Host зарядного устройство идентификации / адаптер Emulator» и Norelsys NS3601 «USB-контроллер быстрой зарядки .

Изображение из таблицы TPS2513a (авторское право TI):

Аналогично, MAX14600 (авторское право Максима):

Вы можете видеть, что линии данных USB («DP» и «DM») имеют несколько настраиваемых ресурсов, и они управляются некоторой «умной» логикой.

Некоторое объяснение

Разные заряжаемые устройства требуют разных видов зарядных устройств. Отчасти это связано с тем, что в спецификации USB изначально не указывалось поведение «зарядки», а отчасти потому, что некоторые производители хотят, чтобы их устройства заряжались только при самой быстрой зарядке от собственных розеток. Кроме того, устройство не может потреблять больше тока, чем допустимо , во избежание риска перегрева неправильно спроектированного источника питания.

Примечание: в приведенном ниже пояснении игнорируются технологии USB3, USB Power Delivery и Qualcomm Quick Charge, которые еще больше усложняют ситуацию (например, они поддерживают повышение напряжения выше 5 Вольт).

Эти типы USB-разъемов можно выделить:

• Обычный порт USB (как на ПК). Это называется SDP , стандартный нисходящий порт. SDP выдает до 100 мА и может увеличить этот предел до 500 мА, если подключенное устройство с радостью попросит об этом, а хост USB согласится, что это возможно и разрешено.
  • На практике почти все SDP выдают 500 мА даже без надлежащей связи. USB-гаджеты, такие как маленькие вентиляторы и обогреватели кружек, не взаимодействуют, но требуют более 100 мА.
• USB-порт с возможностью связи и дополнительными функциями зарядки. Это называется CDP : зарядка нисходящего порта. Этот может поставлять до 1500 мА. Устройства, не имеющие связи, могут сообщить об этом зарядному устройству, подключив USB-линии данных D + и D- с сопротивлением или с коротким замыканием.
• Китайский телекоммуникационный отраслевой стандарт YD / T 1591-2009 предшествовал и вдохновил спецификацию CDP. Он определяет короткое замыкание между D + и D-.
• USB-порт без возможности связи (например, в сетевой розетке). Это называется DCP : выделенный порт зарядки. Это в основном CDP без возможности общаться с USB-хостом (ПК).
• Порты DCP, которые не соответствуют спецификациям DCP (из версии 1.2 «Зарядка аккумулятора USB»). Эти настенные вилки имеют различные настройки резисторов, подключенных к линиям передачи данных, что приводит к фиксированным напряжениям, которые могут считываться зарядным устройством. Список «распознаваемых» напряжений очень длинный, это только отрывок:
  • Яблоко 0,5А (D + при 2 В, D- @ 2 В)
  • Яблоко 1А (2В / -2,8В)
  • Apple, 2,1 А (2,7 В / 2,0 В)
  • Apple 2,4 A (2,7 В / 2,0 В)
  • Sony (3,3 В / 3,3 В)
  • Многие (включая Samsung) 2A (1,2 В / 1,2 В)

«Умные» зарядные устройства, то есть микросхемы контроллера DCP внутри них, могут эмулировать стандартный порт DCP с различными значениями сопротивления, а также могут эмулировать несколько нестандартных напряжений DCP.

Секретный соус

Производители микросхем на самом деле не описывают, как работает их логика «обнаружения», но единственная возможность, которую они имеют, - это следить за тем, что зарядное устройство делает на линиях D + и D-, и смотреть на потребляемый ток.

Это, без сомнения, требует много проб и ошибок, и алгоритм, вероятно, держится в строжайшем секрете.

Один из методов, который можно использовать, - это циклически проходить через эмулируемые состояния и отмечать величину потребляемого тока. Состояние с наибольшим потреблением тока является «лучшим» и остается активным.

Примечание

Не смущайтесь маркетингом производителей зарядных устройств, которые утверждают, что зарядные устройства « обеспечивают максимальный ток для устройства». Разъем USB является источником напряжения ; он только контролирует напряжение, и это зарядное устройство, которое «решает», какой ток он «потребляет» во время зарядки.

Таким образом, зарядное устройство не может «подвести» ток к устройству, которое его не принимает, по крайней мере, не оставаясь ниже безопасного максимального значения 5,1 Вольт.

Единственное, что происходит, - это обман, чтобы заставить зарядное устройство поверить, что оно подключено к самому мощному, наиболее подходящему, наиболее совместимому зарядному устройству, которое только можно себе представить.

Дальнейшие ссылки

• 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 тоже всего лишь инженер-программист, но часть моей работы связана с чтением спецификаций USB. Вот что я знаю:

Существует два официальных протокола питания через USB. Первый, BCD, был выпущен в 2007 году и обновлен в 2010 году. Он использует различные приемы передачи данных, чтобы определить, какую мощность может потреблять нижестоящее устройство. Это не должно быть полное рукопожатие USB. Например, выделенное зарядное устройство идентифицирует как таковое, просто нажав D + на D-. Это указывает на то, что нижестоящее устройство может опуститься до максимального зарядного тока, который, я считаю, составляет 1,5А. Вы можете прочитать спецификацию BCD здесь .

Более новый протокол - PD (Power Delivery), который распространяется как часть основной спецификации USB . PD действительно интересный. Он позволяет обмениваться информацией о питании по линиям напряжения, а не по линиям передачи данных, и может поддерживать до 100 Вт (20 В / 5 А). Однако в приложениях большой мощности требуется, чтобы кабель был маркирован электронным способом, чтобы указать, что кабель может поддерживать высокое напряжение / высокий ток без плавления. :-) Есть несколько «маркировок», определенных в спецификации, но все они, кажется, включают в себя падение резистора или конденсатора между двумя контактами в вилке.

Тем не менее, вероятность того, что любой кабель или зарядное устройство на самом деле правильно реализуют всю спецификацию, кажется довольно низкой. Вы можете проследить за подвигами Бенсона Леунга на Amazon.com, чтобы увидеть, как многие производители нашли способ облажаться.

Я не знаю наверняка, но я думаю, что очень вероятно, что маркетинговые ярлыки, такие как «PowerIQ», указывают на зарядные устройства, которые пытаются достичь совместимости с как можно большим количеством устройств и кабелей, включая те, которые безнадежно нестандартны. К сожалению, нет хорошего способа определить, насколько близко какое-либо конкретное зарядное устройство подходит к этому идеалу.

(старая тема, но новая информация, основанная на последних спецификациях USB.)

Как уже упоминалось, новые спецификации USB допускают зарядное напряжение более 5 В, если устройство запрашивает его.

Под расширением «USB Power Delivery» (PD) (USB PD rev. 3.0, ver 1.0a) можно подключить к подключенному устройству до 5 А при 5 В, 9 В, 15 В или 20 В с максимальной 100 Вт с источником. Существует много правил, которым «запрашивающее устройство» должно следовать в этих случаях.

Обычно это относится к ноутбукам или другим устройствам с большим количеством ячеек и / или рабочим напряжением. Кабели также должны быть спроектированы и разработаны для соответствия этим условиям.

(да, я EE ... более 35 лет)

Я разделяю вашу тошноту на этом языке, однако я согласен с тем, что в этом вопросе, скорее всего, есть доля правды. USB-устройства объявляют себя на основе идентификатора производителя, продукта и устройства, чтобы хост мог распознать подключаемое устройство и соответствующим образом к нему обращаться (например, найти соответствующий драйвер). Кроме того, я не эксперт по аккумуляторам, но я достаточно разоблачен, чтобы знать, что у литий-ионных аккумуляторов есть некоторые странные требования к зарядке, чтобы избежать перегрева. Весьма разумно думать, что USB-продукт может согласовывать более оптимальный режим зарядки, как описано здесь, с учетом того, что он взаимодействует с настроенным драйвером или продуктом на другом конце.

Примером литий-ионной схемы зарядки, которую я видел, является постоянный ток до тех пор, пока напряжение аккумулятора не достигнет 4,0 В, а затем постоянное напряжение до тех пор, пока аккумулятор не достигнет 4,2 В. Возможно, разные батареи имеют разные модели (опять же, я не эксперт по батареям).

[...] на самом деле происходит нечто более сложное.

Да. Короче говоря, умные порты используют хаки нестандартных механизмов зарядки для достижения оптимальных токов. Распространенное предположение, что все USB-устройства основывают свои протоколы зарядки исключительно на спецификации USB или расширении BCS, неверно.

Многие USB-зарядные устройства имеют только «тупые» порты с плавающими контактами для передачи данных, описанные BCS, или DCP, выделенными портами для зарядки.

Интеллектуальный порт может действовать как немой порт (DCP) или он может эмулировать несколько проприетарных портов в случае, если спецификация USB / BC не поддерживается или не оптимальна. Эта эмуляция может сломаться в определенных сценариях и вызвать проблемы, поэтому каждая марка смарт-зарядного устройства пытается отличиться с точки зрения надежности, скорости и совместимости. Создание их может потребовать некоторого реверс-инжиниринга.

В идеале «умные» зарядные устройства не понадобятся, и все устройства будут использовать один и тот же стандарт зарядки. Если это не хост / зарядное устройство, оно распознает, что устройство может:

• Заряжать медленно
• Не заряжать вообще.
• Зарядка со стандартной скоростью USB (не BCS) (т. Е. 5 блоков питания для устройства USB с полной мощностью, 1 для устройства с низким энергопотреблением, 5 для подключения без учета мощности). Обычно это медленнее, чем его макс.
• Заряжайтесь на скорости BCS, тогда они смогут вытащить из DCP целых 5А. Хотя я никогда не видел более 3А, рекламируемых для одного порта. Это все еще может быть медленнее, чем то, что можно сделать с помощью собственного зарядного устройства.

[...] что происходит с этими интеллектуальными портами, чтобы позволить устройству получать больше тока? [...] действительно ли линии передачи данных USB используются для согласования схемы зарядки?

Вид, зависит от того, на какую спецификацию зарядки вы смотрите. Я полагаю, что Apple использует линии передачи данных, но ничего сложного не происходит, они просто установлены на 3 В, чтобы указать, что это зарядное устройство Apple.

DCP - не единственный порт зарядки, описанный BCS. Некоторые (несколько) устройств предпочитают требовать перечисления (т. Е. Использовать рукопожатие между выводами данных) и поэтому нуждаются в CDP (входной порт зарядки), который является более сложным, поскольку он позволяет передавать данные в дополнение к зарядке. Я предполагаю, что порт, полностью совместимый с BCS, то есть может переключаться между CDP и DCP, может считаться «умным», даже если он не эмулирует какие-либо другие технологии.

Я предполагаю, что для зарядки батареи как можно быстрее, вы потребляете как можно больше тока, [...] конечно, они могли бы потреблять больше. Почему это?.

Правильно, но только если зарядное устройство соответствует их спецификациям, в противном случае я думаю, что они просто не доверяют этому. Или, может быть, это связано с конкуренцией и патентами, или алгоритмами, которые оптимизируют время автономной работы. Я думаю, что, как интереснее, чем почему, хотя.

Я тоже не EE. (Также инженер-программист с хорошо читаемым хобби-специалистом по электронике.)

Насколько я понимаю, условность заключается в том, что обычные USB-устройства потребляют максимум 500 мА, не более. Все, что больше, является нарушением стандарта USB.

«Умные» USB-зарядные устройства оснащены твердотельной логикой с чипами последовательной связи. Когда вы подключаете устройство, которое требует более высокого тока, оно отправляет запрос к источнику питания, говоря что-то вроде «Я хочу 2 ампера. Это нормально?» Если блок питания представляет собой дамп-порт USB, он вообще не отвечает, поэтому устройство либо не работает, либо потребляет только 500 мА по умолчанию (и заряжается намного медленнее).

У меня есть телефон Samsung S5 и Note 10.1 (издание 2014 года). У меня есть встроенный USB-метр, который измеряет напряжение, ток и ток. Когда одно из этих устройств подключено к оригинальному зарядному устройству, выход зарядного устройства возрастает до 5,5 В, а ток зарядки составляет около 1,6 А. Если я попробую это с помощью дешевой настенной бородавки с номиналом 1 А, напряжение останется на уровне 5,0 и зарядится на 0,8 А. У меня также есть несколько зарядных устройств на батарейках. Большинство из них, хотя и рассчитаны на 2 А и более, обеспечивают только 5,0 В, а ток зарядки остается на уровне около 0,8 А. Из этого я делаю вывод, что протокол Samsung предназначен для того, чтобы устройства запрашивали быструю зарядку с помощью одного из средств, указанных выше, и что зарядное устройство сигнализирует, что оно способно на это, повышая его мощность до 5,5 вольт.