Как мне спроектировать блок питания 2 А или более для моих потребительских USB-устройств?

Я понимаю, что многие из моих потребительских устройств, заряжаемых через порты USB, могут заряжаться с большей скоростью, чем 0,5А. Однако в ходе тестирования я обнаружил, что они не потребляют больше, чем это.

Испытательная установка

• У меня есть источник питания, который выдает от 0 до 30 вольт и от 0 до 20 ампер.
• Я установил напряжение на 5 вольт, а затем правильно подключил гнездовой USB к проводам.
• Когда я подключаю Samsung Galaxy S4 Mini, он потребляет около 0,44 А. То же самое с Samsung Galaxy Tab Pro.
• Однако, когда я подключаю iPad Air с помощью официального кабеля молнии, он потребляет всего около 0,11 ампер.
• Кроме того, я попытался подключить умные часы ZGPAX S28, и это было все еще около 0,44-0,45 ампер.

Блок питания более чем способен выдавать максимум 2,1 А, так почему бы не использовать его как минимум для планшетов?

Что мне нужно сделать в моей тестовой настройке, чтобы убедить устройства потреблять максимальный ток зарядки?

Причина, по которой ваши устройства Apple / Samsung не потребляют больше тока, проста. Это связано с тем, что между устройством Apple / Samsung и их выделенными источниками питания происходит дополнительная передача данных. Это заставляет оба устройства распознавать друг друга и соглашаться на более высокий ток, который будет использоваться. Зарядное устройство устанавливает определенные напряжения на линиях данных USB, и это распознается телефоном или планшетом.

Ваш источник питания 20 А не подает эти напряжения на линии даты, поэтому он не «разговаривает» с вашим устройством Apple / Samsung, поэтому они предполагают, что это обычное «тупое» зарядное устройство и не потребляют больше тока, чем это разрешено стандартом USB который обычно составляет всего 100 или 500 мА

Для зарядки яблочного устройства поместите эти напряжения в линии данных:

желаемый ток: 2000 мА D-: 2,0 В D +: 2,75 В

Кроме того, в зависимости от того, насколько полностью заряжена батарея, ток зарядки также ограничен. Максимум будет только тогда, когда аккумулятор заряжен на 30 - 70% (эти цифры - только мое предположение). Зарядка с высоким током вредна для батареи, когда она очень низкая или почти полная.

Источники:

Adafruit: загадки зарядки устройств Apple

Voltaic: выбор напряжения USB-контакта

Вот более полная статья, в которой перечислены известные фирменные схемы D + / D- идентификации резистора-делителя для мощных зарядных устройств. Суть это:

2,0 В / 2,0 В - низкое энергопотребление (500 мА)

2,0 В / 2,7 В - Apple iPhone (1000 мА / 5 Вт)

2,7 В / 2,0 В - Apple iPad (2100 мА / 10 Вт)

2,7 В / 2,7 В - 12 Вт (2400 мА, возможно, используется Blackberry)

D + / D- замкнуты вместе - стандарт USB-IF BC 1.2

1,2 В / 1,2 В - устройства Samsung

Значения Samsung совпадают с значениями, указанными на этом схематическом ^{[оригинальном источнике]} через резисторный делитель 10k / 33k для планшетных зарядных устройств 2A Galaxy.

Как я уже говорил в других своих комментариях, есть также готовые чипы, которые реализуют некоторые из них, например MAX14667 , TPS2513 , Microchip USB2534 или CYUSB3324 . Лист данных последнего также предоставляет некоторые дополнительные сведения об устройствах Samsung:

Устройства Samsung используют несколько способов зарядки. Некоторые устройства Samsung (планшеты Samsung Galaxy) используют запатентованный метод зарядки, при котором выводы D + и D- смещены на один и тот же потенциал (~ 1,2 В). Устройства Samsung Galaxy серии S (S3, S4) соответствуют стандарту зарядки USB-IF BC v1.2 для режимов работы DCP, CDP и SDP.

USB-IF 1,2 BC имеет следующие требования для режима DCP:

• Линии данных D + и D– закорачиваются вместе с максимальным последовательным сопротивлением 200 Ом.

• Запрещается отключать питание до тех пор, пока напряжение не упадет ниже 2 В или ток не превысит 1,5 А

• Абсолютный максимальный ток потребления разрешен, но не обязателен, это предел для разъема USB 2.0, до 5А

Кроме того, в заметке Cypress говорится, что 2.7V / 2.7V -> 2.4A [также] используется Apple. Обсуждение на форумах TI, на которых сотрудники TI включились (для их TPS2513A), указывает на то же самое. Сотрудник TI сказал :

Начиная с iPad3, используется 42Whr аккумулятор, длительное время зарядки начинает становиться проблемой. Сравните время зарядки, от батареи 0% до 100%, зарядное устройство 2.1A занимает 6 часов, зарядное устройство 2.4A занимает 5 часов 40 минут. Так что на 20 минут быстрее, но не намного.

Мы считаем, что основная причина, по которой Apple выпустила зарядное устройство 2.4A, заключается в улучшении работы пользователей при одновременной зарядке и игре. Когда играешь в высококачественные видеоигры, такие как Infinity II и одновременно заряжаюсь, процент заряда батареи моего iPad3 очень-очень медленный, например, 30 минут спустя, только увеличение на 2 процента, что сводит меня с ума.

При использовании зарядного устройства на 2,4 А состояние батареи увеличивается быстрее, по крайней мере, я чувствую себя нормально, с этим все в порядке.

Блок питания более чем способен выдавать максимум 2,1 А, так почему бы не использовать его как минимум для планшетов?

Стандарт USB не позволяет подключать более 500 мА из стандартного порта USB 1. Пока устройство не установит связь с хост-устройством USB, у него нет возможности узнать, какой ток доступен.

Стандарт USB фактически требует, чтобы устройства потребляли не более 100 мА, прежде чем связываться с хостом и запрашивать больше энергии. Это важно, потому что стандартный USB-концентратор без питания потребляет 500 мА - 100 мА для себя и 100 мА для каждого из своих портов. Это означает, что концентратор без питания не может и не должен пытаться подать 500 мА на USB-устройство.

Стандарт был разработан таким образом, чтобы поддерживать различные варианты использования.

Очевидно, что только Apple следует стандарту и потребляет только 100 мА, прежде чем запрашивать больше энергии.

Реальность такова, что немногие USB-порты не могут подавать 500 мА без запроса. Многие даже не следят за потреблением тока и отключают несовместимые устройства USB. Почти всегда безопасно брать 500 мА из USB-порта, не запрашивая максимальную мощность у хост-порта.

Более новые спецификации USB допускают более мощные порты. Опять же, однако, это должно быть запрошено, чтобы соответствовать спецификации.

Зарядные устройства USB, как правило, не являются интеллектуальными и не имеют полноценного хост-порта USB. Они используют несколько коротких путей - обычно используют резисторы на линиях D + и D-, чтобы сигнализировать устройству USB, что зарядное устройство способно к большей мощности без официального запроса.

Кроме того, некоторые устройства, такие как линия Apple iOS, также будут контролировать подаваемое напряжение и уменьшать потребление тока на основе падения напряжения. Например, если зарядное устройство сообщает, что оно может подавать напряжение 2 А, но напряжение не остается на уровне 5 В, устройство iOS будет потреблять меньше максимального тока. Он не будет заряжаться ниже 4,5 В или выше 5,5 В. Таким образом, зарядное устройство не только должно подавать правильные сигналы, указывающие на наличие полного тока, оно должно поддерживать хорошее регулирование при максимальном потреблении тока.

Имейте в виду, что это функция безопасности. Мало того, что зарядное устройство должно быть в состоянии подавать ток, но и используемый кабель USB должен уметь его переносить. Это может показаться не слишком сильным током, но на рынке есть много очень дешевых тонких USB-кабелей, которые заметно нагреются, когда 2A протекает через их проводники меньшего размера. Положите это под легковоспламеняющуюся подушку и позвольте жаре накапливаться, и вы можете найти не только расплавленную изоляцию.

Apple проверяет не только зарядное устройство, но и кабель (используя свои фирменные микросхемы внутри разъема кабеля), чтобы избежать ответственности за возможные потери, связанные с опасными зарядными устройствами и проводкой.

Однако, если вы используете кабель, поставляемый с устройством, у вас не должно быть проблем с этим аспектом, и вы можете сосредоточиться на сигнализации зарядного устройства.

Что мне нужно сделать в моей тестовой настройке, чтобы убедить устройства потреблять максимальный ток зарядки?

Стандарт Apple был слабо принят другими или принят другими и состоит из установки определенных уровней напряжения на линиях D- и D + при низком токе. Приблизительно 2,0 В на линии D и 2,75 В на линии D + подает сигнал 2A (10 Вт) для зарядки. Это можно сделать с помощью простых резисторов:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Если вы выполните эту схему в своей настройке, вы обнаружите, что по крайней мере устройства Apple заряжаются от 2 или более ампер, и вы можете обнаружить, что другие устройства также заряжаются с такой скоростью.

Вы можете попробовать использовать специальный контроллер порта зарядки .

Согласно спецификации он может обнаружить следующие схемы зарядки:

1. Делитель 1 DCP, требуется подать 2 В и 2,7 В на линии D + и D– соответственно (TPS2513, TPS2514)
2. Делитель 2 DCP, требуется подать 2,7 В и 2 В на линии D + и D– соответственно (TPS2513, TPS2514)
3. Разделитель 3 DCP, требуется подать 2,7 В и 2,7 В на линии D + и D- соответственно (TPS2513A, TPS2514A)
4. BC1.2 DCP, требуется для замыкания линии D + до линии D–
5. Китайский телекоммуникационный стандарт YD / T 1591-2009 с коротким замыканием, необходимый для замыкания линии D + до линии D–
6. 1,2 В на линиях D + и D–

20 ампер - это то, на что способен источник питания, и все, что вы подключаете к нему, берет то, что ему нужно, из этих 20 ампер.

Например, если у вас есть источник питания, настроенный на выход 5 В, и вы положили резистор 5 Ом на его выход, он подаст резистор на 1 А, потому что это все, что нужно резистору с 5 В на нем.

Вы также можете параллельно подключить двадцать 5-омных резисторов к источнику питания, и он будет подавать по 1 ампер каждому из них в общей сложности 20 ампер.

Устройство USB будет рисовать только величину тока , что он знает , что он может определенно сделать , не повредив к зарядному устройству. Устройства Apple и Samsung понятия не имеют, сколько можно извлечь из зарядного устройства, поэтому они используют стандарт USB. Стандарт USB говорит, что «0,5 Ампер безопасен». (Если зарядное устройство идентифицирует себя как USB-зарядное устройство, но не может выдержать 0,5 Ампер, это не ошибка телефона, а проблема зарядного устройства).

Единственный способ убедить устройство получать больше тока - это установить связь в зарядном устройстве, которая может происходить между устройством Apple и зарядным устройством Apple, или устройством Samsung и зарядным устройством Samsung. Это не очень сложно, и вы можете купить приличные зарядные устройства по разумным ценам, которые делают это. Ваше зарядное устройство этого не делает, поэтому 0,5 А это предел.

Все USB-устройства должны работать при подключении к USB-порту данных, который будет обеспечивать 100 мА по умолчанию, 500 мА, когда «красиво задано». Вот что ты получаешь.

Если вы соедините сигналы Data + и Data- вместе через небольшой резистор (для защиты ... что-то около 100 Ом), вы будете соответствовать спецификации зарядки аккумулятора USB, которая позволяет устройству потреблять минимум 1,5 А.