Entrega de energía USB-C: ¿Qué hace que un cable USB-C se cargue rápido?
23 de agosto de 2022
Entrega de energía USB-C: ¿Qué hace que un cable USB-C se cargue rápido?
Antes de que apareciera la interfaz Tipo-C, el cable USB solo podía suministrar 2,5W de potencia, mientras que el cable USB Tipo-C permitía que la potencia máxima fuera de hasta 5V/3A (15W). Si se adopta el protocolo Power Delivery (PD), el voltaje y la corriente pueden aumentarse a 20V/5A (100W), lo que permite el suministro de energía de dispositivos grandes a través de la interfaz USB, como cargar un portátil con una batería grande.
Pero, ¿qué hace que un cable USB-C se cargue rápido?
FIrst,Vamos a repasar la interfaz USB-C y el cable USB-C
1. Definición de función del PINsde USB Tipo-C
El Tipo-C es una forma de interfaz USB. Es el único conector USB que no se preocupa por la parte frontalSidey de vueltaSidecuando se inserta. Soporta carga estándar USB, transmisión de datos, transmisión de vídeo, transmisión de audio, salida de pantalla y otras funciones.
Otra diferencia entre el USB Tipo-C y los estándares anteriores es su capacidad de doble función. Ambos extremos de cada cable USB Tipo-C están espejados, lo que significa que los dos dispositivos conectados deben comunicarse entre sí para determinar si deben existir como host o como periférico. La comunicación de los roles debe realizarse por separado para datos y energía, y este trabajo debe realizarse después de conectar el cable.
El puerto anfitrión utilizado para la comunicación de datos se llama Puerto Orientado Aguas Abajo (DFP), y el puerto periférico se denomina Puerto Frontal Aguas Arriba (UFP). En cuanto a la fuente de alimentación, el extremo de la fuente se llama extremo fuente (Fuente), y el extremo de consumo de energía se denomina extremo sumidero (sumidero). Algunos dispositivos pueden tener tanto la capacidad de Doble Rol de Datos (DRD) en los datos como la de Doble Rol de Energía (DRP) en la fuente de alimentación. El CCAlambredefine el papel de la fuente de alimentación durante la conexión entre ambos dispositivos, comunicándose mediante el Tipo-C "Pin de Canal de Configuración CC"
2.¿Cómo se conecta un cable USB-C a USB-C?
El diagrama de cableado del cable completo USB-C a USB-C GEN 2 es el siguiente, proporcionado por P-Shine Electronic Tech Ltd.
Estado (1) Conexión directa sin invertir
La imagen de arriba muestra la conexión cuando el cable estáSin voltear. Desde el zócalo de la izquierda hasta el 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- a D-, SBU1 a SBU2 y CC1 a CC1. .
A veces, los VCONNs en ambos extremos del cable no necesitan conectarse (B5 a B5). Cuando lo electrónicoMarkEl chip (E-mark) se instala en la placa del conector USB-C, el B5 del enchufe izquierdo y el B5 del conector derechoNecesidadestar conectados entre sí
Estado (2)FConexión con labios
Cuando el enchufe y el enchufe de la izquierda permanecen igual, y el enchufe de la derechatambiénPermanece igual, pero el enchufe de la derecha cambia de un lado al otro (USB-C soporta inserción frontal y trasera), la conexión USB-Cflipped
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+ sigue conectado a D+, D- sigue conectado a D-, SBU1 conecta a SBU1, SBU2 a SBU2 y CC1 conecta 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 conector izquierdo como el derechopuedeFlipar. Parece que hay cuatro métodos de conexión diferentes en total, pero en realidad solo hay dos: directo (voltear ambos extremos al mismo tiempo equivale a directo) y de un solo ladoed.
Por lo tanto, puedes ver cuatro pares de señales de alta velocidad en el cable 3.1 de USB-C a USB-C, pero solo dos pares funcionan al mismo tiempo, wCuando se invierte el enchufe de un solo lado, los otros dos pares de señal libres pueden reemplazar al par original que funcionas. O cuando cambian los roles de la fuente de alimentación o la transferencia de datos en el host y el periférico, los pares de señal se alteran constantemente.
En el sistema USB 3.1, los pares de datos RX/TX deben configurarse para cada posible estado de conexión mediante un multiplexor para que se pueda formar una comunicación correcta.La figura siguiente muestra las posibilidades de enrutamiento de pares de datos entre puertos USB Tipo-C, la orientación del enchufe y el enchufe puede saberse midiendo el estado de CC1/CC2 en cada terminal, y 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 rápido?
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 solo pueden tener 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 utilizaaEl protocolo de transferencia de energía, el método de transferencia de potencia desde el extremo fuente hasta el extremo sumidero, se muestra en la figura siguiente
El extremo 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 ocurra sobrecorriente. Los circuitos de detección de CC1 y CC2 existen tanto en el extremo fuente como en el sumidero.
El papel 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 conector abierto 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 suministro y consumo de energía, orientación del cable y capacidad de suministro de corriente. El CC1 y el CC2 en el extremo fuente son tirados hacia arriba por la resistencia Rp, y el CC1/CC2 monitorizado siempre está a alta tensión cuando no hay nada conectado. Una vez conectado el sumidorería, el voltaje de CC1 o CC2 es reducido por la resistencia Rd. Como solo hay un cable CC en el cable, la fuente puede saber cuálLado de laEl CC se baja por bajo. También se monitoriza el voltaje de CC1/CC2 en el sumidero, once un CCAlambresi se detecta que está extraído hacia arriba, el cambio en su nivel de voltaje permitirá al sumidero conocer la capacidad de suministro de corriente de la fuente.La resistencia pull-up Rp en el circuito también puede ser reemplazada por una fuente de corriente, que es fácil de implementar en un circuito integrado y puede ser inmune a los errores de tensión de alimentación V+.
El valor definido de la resistencia pull-down Rd en el sumidero es 5,1KΩ, así que el voltaje del CCAlambreestá determinado por el valor de la resistencia de pull-up Rp en la fuente (o el valor de corriente de la fuente de corriente). Hay 3 niveles de corriente de busque han sido definidos. El CC más bajoAlambreel voltaje (unos 0,41V) corresponde a la especificación predeterminada de alimentación USB (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 mínima de suministro de corriente es de 3A. Los datos relevantes pueden referirse a la siguiente figura
La figura siguiente muestra un caso de medición en el que el lado de la fuente de alimentación (Source) está conectado al lado de consumo energético (Sink), usando un cable USB-C a USB-C normal.
Inicialmente, tanto CC1 como CC2 en el zócalo fuente son arrastrados a un voltaje alto por la resistencia Rp, y tanto CC1 como CC2 en el sumidero son tirados hacia abajo a baja tensión por la resistencia de pull-down Rd.
Una vez conectado 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 estado invertido, el CC1 en el extremo fuente y el CC1 en el extremo del furgón 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 así sabrá cuál es la capacidad de suministro actual de la fuente.
En este caso, el voltaje del CC1 tras conectarse es de unos 1,65V, lo que significa que la fuente puede suministrar una corriente máxima de 3A.
Después del CCAlambrese establece la conexión, se activará el voltaje de 5V en VBUS.
En sistemas sin protocolo de entrega de potencia, la capacidad de suministro de corriente en el bus está determinada por Rp/Rd, pero la fuente solo suministra 5V
Tras adoptar el protocolo Power Delivery (PD), el voltaje del bus del sistema USB Tipo-C puede aumentarse hasta un máximo de 20V, la comunicación entre la fuente y el sumidero respecto al voltaje y corriente del bus se realiza transmitiendo códigos BMC en serie en el cable CC
El diagrama de trama del sistema USB Tipo-C incluyendo el protocolo PD de la fuenteSideAl fregaderoSidese muestra en la figura siguiente
Como se muestra en la figura anterior, el lado fuente contiene un convertidor de voltaje, que es controlado por el controlador PD del lado fuente. El convertidor de voltaje puede ser un convertidor Buck, Boost, Buck-Boost o flyback, dependiendo de las condiciones de tensión de entrada y los requisitos más altos de tensión en el bus. Comunicación de la PD a través del CCAlambretambién está bajo el control del controlador de la 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 solicitará 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 los stintael final es a menudoRelacionadoal dispositivo conectado a lafregadero(como un cargador), el controlador del sistema embebido de la stintael extremo debe comunicarse con el controlador de PD del extremo fuente para determinar las especificaciones correspondientes.
La figura siguiente muestra un ejemplo de un controlador PD que se hunde y solicita un voltaje de bus más alto.
La comunicación entre el sumidero y la fuente en el CCEl cable se parece a los siguientes pasos:
1. Los sEl lado de tinta se aplica para obtener los datos de capacidad del lado fuente.
2. La fuente proporciona su información de datos de capacidad.
3. El sumidero selecciona los parámetros de configuración de potencia apropiados a partir 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 tensión en el bus, el consumo de corriente del sumidero se mantiene lo más bajo posible. El proceso de aumentar la tensión del bus en el extremo fuente se realiza según la velocidad definida de aumento de tensión.
5. Después de que la tensión del bus alcanza el valor final, la fuente esperará a que se estabilice el voltaje del busy luegoenviando una señal de energía lista a lahunde,aEn este punto, el sumidero puede aumentar su consumo de corriente. El mismo proceso de comunicación ocurre cuando el sumidero quiere que baje el voltaje del bus, durante la caída de tensión en el bus, la fuente activa un circuito de derivación que reduce rápidamente el voltaje del bus mediante descarga activa en el bus. Tras alcanzar el valor nominal, la fuente esperará un poco más a que se estabilice el voltaje del bus antes de enviar una señal lista para alimentación 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 sumidero, evitando condiciones incontrolables. Cuando se desconecta la conexión del cable Tipo C, también se corta la alimentación del bus. AUna nueva conexión definitivamente detectará la conexión del cable, y el voltaje siempre está en 5V, así quepuede evitar altos voltajes cuando el cable está conectado de un dispositivo a otro.
La comunicación USB PD utiliza el Código Mark bifásico (BMC), que es un código de comunicación de una sola línea. La transmisión de datos 1 requiere un proceso de conmutación entre voltajes altos y bajos, y la transmisión de datos 0 es un voltaje fijo de alta o baja tensión. Cada paquete de datos contiene un preámbulo alterno 0/1, un inicio de paquete (SOP), una cabecera 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), véase la figura a continuación:
La figura siguiente muestra la forma de onda de una comunicación PD que requiere un aumento de voltaje en el bus de denso a expandido. La secuencia del preámbulo puede observarse a partir de la última forma de onda expandida.
Los datos de comunicación de BMC pueden decodificarse 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 y la forma de onda en el CCAlambre, etc., véase la figura a continuación
4. Lista de configuración de energía
La especificación USB PD 3.0 define la siguiente lista de configuración de fuentes de alimentación:
Hay 4 valores de voltaje separados 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 un cable especialmente personalizado conELectrónicoMark (E-Mark)si se utiliza, los datos correspondientes pueden ampliarse a 20V/5A(100W). Un sistema que soporta el mayor voltaje y potenciaGradotambién debe soportar todo voltaje y potencia más bajosGrados.
5.Cable conELectrónico¿Cómo funciona un chip E-Mark?
La especificación USB Tipo-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 lo soportanSúpertransmisión rápida de datos, o cables con corrientes superiores a 3A,ELectrónicoMarkdebe usarse. El cable mostrado en la figura siguiente contiene un CI cuya función es identificar las características del cable. Este cable dinámico también puede contener circuitos integrados para la configuración de señal, todos los cuales requieren alimentación del VCONNmás rarodel cable.
El Vconn en el cable que contiene elELectrónicoMarkel chip contiene una resistencia pull-down Ra de 1KΩ, y su valor es menor que la resistencia Rd, que suele ser de 5,1kΩ. Cuando se inserta un cable así, el extremo de la fuente verá la caída de voltaje de CC1 y CC2. El cambio específico de voltaje indicará al anfitrión cuálfines arrastrado hacia abajo por la resistencia de 5,1kΩ del extremo del fregadero, y quefines arrastrado hacia abajo por el 1KΩ resistencia del cable, así que tDirección de insercióndel cablese puede determinar. El efecto pull-down de Ra también permite que el extremo fuente sepa que VCONN necesita una fuente de alimentación de 5V, por lo que debe suministrar energía al extremo CC para satisfacer los requisitos de energía delELectrónicoMark.
La figura siguiente muestra un caso de prueba,whichEl extremo de la fuente de alimentación (fuente) está conectado al extremo de consumo eléctrico (sumidero) mediante un cable con unELectrónicoMark, y el cable está en 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 desde el extremo VCONN.
La fuentefindetectará este voltaje y sabrá que el cable contiene unELectrónicoChip de marca, así que conectará el VCONN de 5V al CCAlambrepara suministrar energía al circuito interno del cable.
La comunicación de PD que ocurre posteriormente incluirá la comunicación entre la fuente y elELectrónicoMark(llamado SOP' o SOP), y la comunicación entre la fuente y el sumidero (llamada SOP)
6. Doble función de la fuente de alimentación
Algunos dispositivos USB Tipo-C pueden usarse tanto como fuente como sumidero, y se denominan dispositivos que soportan doble función (Dual Role for Power, DRP). Los terminales CC1 y CC2 de este dispositivo están en un estado de niveles altos y bajos alternados. Antes de la interconexión, una vez que se produce la conexión, los terminales CC de ambos cambiarán, como se muestra en la figura siguiente.
En este caso, el dispositivo DRP de la izquierda se selecciona como fuente y el dispositivo DRP de la derecha como el sumidero. Esta situación también puede invertirse, a menos que un dispositivo DRP haya sido configurado para que se ponga en fuente (como cuando se alimenta con un adaptador de corriente externo), o para que se hable primero (como cuando se alimenta con una batería).
El conmutamiento de roles 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 este tipo de cambio de rol.
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