Entrega de energía USB-C: ¿qué hace que un cable USB-C se cargue rápidamente?
Agosto 23, 2022
Entrega de energía USB-C: ¿qué hace que un cable USB-C se cargue rápidamente?
Antes de que apareciera la interfaz tipo C, el cable USB solo podía proporcionar 2,5 W de potencia, mientras que el cable USB tipo C permitía que la potencia máxima fuera de hasta 5 V / 3 A (15 W). Si se adopta el protocolo Power Deliver (PD), el voltaje y la corriente se pueden aumentar a 20V / 5A (100W), lo que permite el suministro de energía de dispositivos grandes a través de la interfaz USB, como cargar una computadora portátil con una batería grande.
Pero, ¿qué hace que un cable USB-C se cargue rápidamente?
FPrimero,Repasemos la interfaz USB-C y el cable USB-C
1.Definición de función de PINsde USB Type-C
Tipo-C es una forma de interfaz USB. Es el único conector USB que no se preocupa por el frontalladoy volverladocuando se inserta. Es compatible con la carga estándar USB, transmisión de datos, transmisión de video, transmisión de audio, salida de pantalla y otras funciones.
Otra diferencia entre USB Type-C y los estándares más antiguos es su capacidad de doble función. Ambos extremos de cada cable USB tipo C están duplicados, lo que significa que los dos dispositivos conectados deben comunicarse entre sí para determinar si deben existir como host o periférico. La comunicación de los roles debe llevarse a cabo por separado para los datos y la alimentación, y este trabajo debe llevarse a cabo después de conectar el cable.
El puerto de host utilizado para la comunicación de datos se denomina puerto orientado hacia abajo (DFP) y el puerto periférico se denomina puerto orientado hacia arriba (UFP). En términos de fuente de alimentación, el extremo de la fuente de alimentación se llama extremo de la fuente (Fuente), y el extremo del consumo de energía se llama extremo del sumidero (Sink). Algunos dispositivos pueden tener tanto la capacidad de doble función de datos (DRD) en los datos como la capacidad de doble función de alimentación (DRP) en la fuente de alimentación. El CCalambredefine el papel de la fuente de alimentación durante la conexión entre los dos dispositivos, comunicándose a través del tipo C "Configuration Channel Pin CC"
2.¿Cómo se conecta un cable USB-C a USB-C?
El diagrama de cableado del cable USB-C a USB-C GEN 2 con todas las funciones es el siguiente, proporcionado por P-Shine Electronic Tech Ltd.
Estado (1) Conexión directa sin voltear
La imagen de arriba muestra la conexión cuando el cable estáSin voltear. Desde el zócalo de la izquierda hasta el zócalo de la derecha, el par RX1 está conectado al par RX1, el par RX2 está conectado al par RX2; D+ está conectado a D+, D- está conectado a D-, SBU1 está conectado a SBU2 y CC1 está conectado a CC1. .
A veces, no es necesario conectar las VCONN en ambos extremos del cable (B5 a B5). Cuando el electrónicomarcarEl chip (E-mark) está instalado en la PCB del conector USB-C, el B5 del enchufe izquierdo y el B5 del enchufe derechonecesitarestar conectados entre sí
Estado (2)FConexión con labios
Cuando el enchufe y el enchufe de la izquierda siguen siendo los mismos, y el enchufe de la derechaAdemássigue siendo el mismo, pero el enchufe de la derecha cambia de un lado a otro (USB-C admite la inserción frontal y posterior), la conexión USB-CVolteado
En este caso, desde el zócalo de la izquierda hasta el zócalo de la derecha, el par RX1 está conectado al par TX2, el par RX2 está conectado al par TX1, D+ todavía está conectado a D+, D- todavía está conectado a D-, SBU1 se conecta a SBU1, SBU2 a SBU2 y CC1 está conectado a CC2 a través del CCalambre. Ahora, los datos de alta velocidad se transmiten a través de RX1 + / - y TX1 + / - a la izquierda a TX2 + / - y RX2 + / - a la derecha.
Tanto el enchufe izquierdo como el derechoenlatarser volteado. Parece que hay cuatro métodos de conexión diferentes en total, pero en realidad solo hay dos, directo (voltear ambos extremos al mismo tiempo es equivalente a directo) y flipp unilateralEd.
Por lo tanto, puede ver cuatro pares de pares de señal de alta velocidad en el cable 3.1 del cable USB-C a USB-C, pero solo dos pares funcionan al mismo tiempo., wuando el enchufe de un lado volteado, los otros dos pares de señal libre pueden reemplazar el par de trabajo originals. O a medida que cambian los roles de host y periférico para la fuente de alimentación o la transferencia de datos, los pares de señal se alternan constantemente.
En el sistema USB 3.1, los pares de datos RX/TX deben configurarse para cada estado de conexión posible utilizando un multiplexor para que se pueda formar una comunicación correcta.La siguiente figura muestra las posibilidades de enrutamiento de los pares de datos entre puertos USB tipo C, la orientación del enchufe y la toma se puede conocer midiendo el estado de CC1 / CC2 en cada terminal, el controlador lógico CC puede completar la configuración de enrutamiento del multiplexor, ya sea en el multiplexor o en el chipset USB.
3.Entrega de energía USB-C: ¿qué hace que un cable USB-C se cargue rápidamente?
USB PD3.0 solo está relacionado con la fuente de alimentación del cable y no tiene nada que ver con la transmisión de datos. Los cables de carga USB-A tradicionales pueden ser solo dos cables, VBUS y Gound. Sin embargo, un cable USB-C a USB-C que cumpla con PD 3.0 requiere al menos tres cables, VBUS, Gound y CC (configuración de canal).
En un cable USB tipo C que no utilizaunProtocolo de transferencia de energía, el método de transferencia de energía desde el extremo de origen hasta el extremo del receptor se muestra en la figura siguiente
El extremo de la fuente del cable USB tipo C siempre contiene un interruptor MOSFET para encender / apagar VBUS, puede tener la capacidad de detectar corriente VBUS, su función principal es detectar condiciones de sobrecorriente,el circuito de descarga VBUS en él comenzará a funcionar cuando se produzca una sobrecorriente. Los circuitos de detección de CC1 y CC2 existen tanto en el extremo de la fuente como en el del sumidero.
El rol del CC (Configuración de canal)alambrees configurar la fuente de alimentación para dos dispositivos conectados. Inicialmente, no hay fuente de alimentación en el VBUS de la interfaz USB tipo C. El sistema debe definir el papel del dispositivo durante la conexión del cable.El dispositivo con el voltaje de la línea CC en el enchufe levantado se definirá como el proveedor de energía (fuente), mientras que el dispositivo con el voltaje bajado se definirá como el consumidor de energía (sumidero).
La figura anterior muestra cómo determinar el rolsde la fuente de alimentación y el consumo, la orientación del cable y la capacidad de suministro de corriente. El CC1 y el CC2 en el extremo de la fuente son arrastrados hacia arriba por la resistencia Rp, y el CC1 / CC2 monitoreado siempre está a un alto voltaje cuando no hay nada conectado. Una vez que el fregadero está conectado, el voltaje de CC1 o CC2 es arrastrado hacia abajo por la resistencia Rd. Dado que solo hay un cable CC en el cable, la fuente puede decir cuállado de laCC se tira hacia abajo. También se monitorea el voltaje de CC1 / CC2 en el fregadero, once a CCalambrese encuentra que se levanta, el cambio en su nivel de voltaje permitirá que el sumidero conozca la capacidad de suministro de corriente de la fuente.La resistencia pull-up Rp en el circuito también se puede reemplazar con una fuente de corriente, que es fácil de implementar en un circuito integrado y puede ser inmune a los errores de voltaje de suministro V +.
El valor definido de la resistencia pull-down Rd en el fregadero es 5.1KΩ, por lo que el voltaje del CCalambreestá determinado por el valor de la resistencia pull-up Rp en la fuente (o el valor actual de la fuente actual). Hay 3 niveles de corriente de busque se han definido. El CC más bajoalambrevoltaje (aproximadamente 0.41V) corresponde a la especificación de alimentación USB predeterminada (500mA para USB 2.0 o 900mA para USB 3.0), y el CC más altoalambrevoltaje (aproximadamente 0.92V) ) corresponde a una capacidad de corriente de 1.5A. Si el CCalambreel voltaje es de aproximadamente 1.68V, el correspondienteMla capacidad de suministro de corriente aximum es 3A. Los datos relevantes pueden referirse a la siguiente figura
La siguiente figura muestra un caso de medición en el que el lado de la fuente de alimentación (Source) está conectado al lado del consumo de energía (Stinta), utilizando un cable USB-C a USB-C normal.
Inicialmente, tanto CC1 como CC2 en el zócalo de fuente son arrastrados a un alto voltaje por la resistencia Rp, y tanto CC1 como CC2 en el fregadero son bajados a un bajo voltaje por la resistencia desplegable Rd.
Después de conectar el cable, CC1 o CC2 se eleva a un voltaje más alto dependiendo de la dirección de inserción del cable. El cable en este caso no está en un estado volteado, el CC1 en el extremo de la fuente y el CC1 en el extremo del receptor están conectados,después de que el voltaje en CC1 se ve afectado por Rp y Rd, aparece un nuevo valor, este voltaje será medido por el sumidero y, por lo tanto, sabrá cuál es la capacidad de suministro de corriente de la fuente.
En este caso, el voltaje de CC1 después de la conexión es de aproximadamente 1.65V, lo que significa que la fuente puede suministrar una corriente máxima de 3A.
Después del CCalambrese establece la conexión, se encenderá el voltaje de 5V en VBUS.
En sistemas sin un protocolo de suministro de energía, la capacidad de suministro de corriente en el bus está determinada por Rp / Rd, pero la fuente solo suministra 5V
Después de adoptar el protocolo Power Delivery (PD), el voltaje del bus del sistema USB Type-C se puede aumentar a un máximo de 20V, la comunicación entre la fuente y el sumidero con respecto al voltaje y la corriente del bus se logra mediante la transmisión de códigos BMC en serie en el cable CC
El diagrama de marco del sistema USB Type-C, incluido el protocolo PD de la fuenteladoal fregaderoladose muestra en la siguiente figura
Como se muestra en la figura anterior, el lado de la fuente contiene un convertidor de voltaje, que es controlado por el controlador PD del lado de la fuente. El convertidor de voltaje puede ser un convertidor Buck, Boost, Buck-Boost o flyback dependiendo de las condiciones de voltaje de entrada y los requisitos más altos de voltaje del bus. Comunicación de DP a través del CCalambretambién está bajo el control del controlador PD. El sistema USB PD también necesita un interruptor para cambiar la alimentación Vconn a un CCalambre.
Cuando se establece la conexión del cable, la comunicación SOP del protocolo PD comienza a través del CCalambrePara seleccionar la especificación de transmisión de potencia,El sumidero le pedirá los parámetros de configuración de potencia (datos de voltaje y corriente del bus) que la fuente puede proporcionar. Dado que la demanda de potencia de la stintaEl fin es a menudorelacionadoal dispositivo conectado alhundir(como un cargador), el controlador de sistema integrado del Stintaend necesita comunicarse con el controlador PD del extremo de origen para determinar las especificaciones correspondientes.
La siguiente figura muestra un ejemplo de un controlador PD que se hunde que solicita un voltaje de bus más alto.
La comunicación entre el fregadero y la fuente en el CCEl cable se parece a los siguientes pasos:
1. El sEl lado de tinta se aplica para obtener los datos de capacidad del lado de origen.
2. La fuente proporciona su información de datos de capacidad.
3. El receptor selecciona los parámetros de configuración de potencia apropiados de la información de datos de capacidad proporcionada por la fuente y envía una solicitud correspondiente.
4. La fuente acepta la solicitud y modifica el voltaje del bus al parámetro correspondiente. Durante los cambios de voltaje del bus, el consumo de corriente del fregadero se mantiene lo más pequeño posible. El proceso de elevar el voltaje del bus en el extremo de la fuente se lleva a cabo de acuerdo con la velocidad de aumento de voltaje definida.
5. Después de que el voltaje del bus alcance el valor final, la fuente esperará a que el voltaje del bus se estabiliceY entoncesEnvío de una señal de alimentación lista alhundirunEn este punto, el fregadero puede aumentar su consumo actual. El mismo proceso de comunicación ocurre cuando el sumidero quiere que el voltaje del bus disminuya., durante la caída de voltaje del bus, la fuente activa un circuito de derivación que reduce rápidamente el voltaje del bus a través de la descarga activa del bus. Después de alcanzar el valor nominal, la fuente esperará un poco más para que el voltaje del bus se estabilice antes de enviar una señal lista para la energía al consumidor.
Este método de comunicación asegura que cualquier cambio de potencia en el bus esté dentro de las capacidades de la fuente y el receptor, evitando condiciones incontrolables. Cuando se desconecta la conexión del cable tipo C, también se apaga la alimentación del bus. Unny nueva conexión definitivamente hará la detección de conexión de cable, y el voltaje siempre es de 5V, de modo queesoPuede evitar el alto voltaje cuando el cable está conectado de un dispositivo a otro.
La comunicación USB PD utiliza el código de marca bifásico (BMC), que es un código de comunicación de una sola línea. La transmisión de datos 1 requiere un proceso de conmutación entre altas y bajas tensiones, y la transmisión de datos 0 es una tensión fija de alta tensión o baja tensión. Cada paquete de datos contiene un preámbulo alterno 0/1, un inicio de paquete (SOP), un encabezado de paquete, bytes de datos de información, un código de redundancia cíclica CRC y un código de fin de paquete (fin de paquete). Paquete, EOC), consulte la siguiente figura:
La siguiente figura muestra la forma de onda de una comunicación PD que requiere un aumento de voltaje de bus de denso a expandido. La secuencia del preámbulo se puede ver desde la última forma de onda expandida.
Los datos de comunicación BMC se pueden decodificar con un decodificador USB PD, como el analizador EX350 de Ellisys. Con esta herramienta, se pueden capturar los datos de la comunicación PD y se muestra el significado de cada paquete de datos, que contiene datos relacionados con el tiempo, como el valor de voltaje del bus, la forma de onda en el CCalambre, etc., vea la figura a continuación
4.Lista de configuración de energía
La especificación USB PD 3.0 define la siguiente lista de configuración de la fuente de alimentación:
Hay 4 valores de voltaje separados que están predefinidos: 5V, 9V, 15V y 20V. Para 5V, 9V y 15V, la corriente máxima es de 3A. En una configuración de 20V, si el cable es normal, la salida máxima permitida es de 20V/3A(60W). Si es un cable especialmente personalizado conELectronicMarca (E-Mark)se utiliza, los datos correspondientes se pueden ampliar a 20V / 5A(100W). Un sistema que soporta el voltaje y la potencia más altosgradoTambién debe soportar todos los voltajes y potencias más bajosgrados.
5.Cable conELectronicMark (E-Mark) y ¿Cómo funciona un chip E-Mark?
La especificación USB Type-C define una variedad de cables con diferentes especificaciones. No hay requisitos especiales para un cable USB 2.0 de baja velocidad. Pero para cables USB 3.1 que admitenfenomenaltransmisión rápida de datos, o cables con corrientes superiores a 3A,ELectronicMarcardebe ser utilizado. El cable que se muestra en la siguiente figura contiene un CI cuya función es identificar las características del cable. Este cable dinámico también puede contener IC para dar forma a la señal, todo lo cual requiere alimentación del VCONNWierdel cable.
El Vconn en el cable que contiene elELectronicMarcarchip contiene una resistencia desplegable Ra de 1KΩ, y su valor es menor que la resistencia Rd, que normalmente es de 5.1kΩ. Cuando se inserta un cable de este tipo, el extremo de la fuente verá la caída de voltaje de CC1 y CC2. El cambio de voltaje específico le dirá al host quéfines tirado hacia abajo por la resistencia de 5.1kΩ del extremo del fregadero,y quefines derribado por el 1KΩ resistencia del cable, así que tLa dirección de insercióndel cablese puede determinar. El efecto pull-down de Ra también permite que el extremo de la fuente sepa que VCONN necesita una fuente de alimentación de 5V, por lo que necesita suministrar energía al extremo CC para cumplir con los requisitos de energía delELectronicMarcar.
La siguiente figura muestra un caso de prueba,whIchEl extremo de la fuente de alimentación (fuente) está conectado al extremo de consumo de energía (sumidero) mediante un cable con unELectronicMarcary el cable está en un estado invertido. Se puede ver que cuando el cable está conectado, un CCalambreen el extremo de la fuente se tira a un voltaje muy bajo por un 1KΩ resistencia del extremo VCONN.
La fuentefindetectará este voltaje y sabrá que el cable contiene unELectronicChip de marca, por lo que conectará el VCONN de 5V al CCalambrepara suministrar energía al circuito interno del cable.
La comunicación de PD que se produce más adelante incluirá la comunicación entre el origen y elELectronicMarcar(llamado SOP' o SOP),y la comunicación entre la fuente y el sumidero (llamado SOP)
6.Doble función de la fuente de alimentación
Algunos dispositivos USB tipo C se pueden usar como fuente y receptor, y se denominan dispositivos que admiten funciones duales (Dual Role for Power, DRP). Los terminales CC1 y CC2 de este dispositivo se encuentran en un estado de alternancia de niveles altos y bajos. Antes de la interconexión, una vez que se produce la conexión, los terminales CC de ambos cambiarán, como se muestra en la siguiente figura.
En este caso, el dispositivo DRP de la izquierda se selecciona como fuente y el dispositivo DRP de la derecha se selecciona como receptor. Esta situación también se puede revertir, a menos que un dispositivo DRP se haya configurado primero en la fuente (como cuando está alimentado por un adaptador de corriente externo) o configurado para hundirse primero (como cuando funciona con una batería).
El cambio de rol de alimentación también puede ocurrir durante la conexión, siempre que uno de los dos dispositivos DRP inicie la solicitud de cambio de rol. La siguiente figura muestra el proceso de dicho cambio de rol.
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