USB-C Power Delivery: ¿qué hace que un cable USB-C se cargue rápidamente?
23 de agosto de 2022
USB-C Power Delivery: ¿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 20 V/5 A (100 W), 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?
FEn primer lugar,Repasemos sobre la interfaz USB-C y el cable USB-C
1. Definición de la función PINsde USB Tipo-C
Tipo-C es una forma de interfaz USB. Es el único conector USB que no se preocupa por la parte frontal lado y de vueltaladocuando se inserta. Admite 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 como periférico. La comunicación de las funciones 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 denomina extremo de la fuente (Fuente) y el extremo del consumo de energía se denomina extremo del sumidero (Sumidero). Algunos dispositivos pueden tener tanto la capacidad de funciones duales de datos (DRD) en los datos como la capacidad de funciones duales de energía (DRP) en la fuente de alimentación. El CC alambredefine el papel de la fuente de alimentación durante la conexión entre los dos dispositivos, comunicándose a través del "Pin de canal de configuración CC" de tipo C
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 no volteada
La imagen de arriba muestra la conexión cuando el cable está Sin 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 los VCONN en ambos extremos del cable (B5 a B5). Cuando el sistema electrónico marcarEl chip (E-mark) está instalado en la placa de circuito impreso del conector USB-C, el B5 del enchufe izquierdo y el B5 del enchufe derecho necesitarestar conectados entre sí
Estado (2) FConexión con labio
Cuando el enchufe y la toma de corriente de la izquierda permanecen iguales, y la toma de corriente de la derecha Además sigue siendo el mismo, pero el enchufe de la derecha cambia de un lado a otro (USB-C admite la inserción frontal y trasera), la conexión USB-C Volteado
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 se conecta a SBU1, SBU2 a SBU2 y CC1 se conecta a CC2 a través del CC alambre. 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 derecho enlatarser 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 volteo unilateralEd.
Por lo tanto, puede ver cuatro pares de pares de señal de alta velocidad en el cable 3.1 de USB-C a cable USB-C, pero solo dos pares funcionan al mismo tiempo, wuando el enchufe de un solo lado volteado, los otros dos pares de señal libre pueden reemplazar el par de trabajo originals. O bien, a medida que cambian las funciones del host y los periféricos para la fuente de alimentación o la transferencia de datos, los pares de señales se alternan constantemente.
En el sistema USB 3.1, los pares de datos RX/TX deben configurarse para cada estado de conexión posible mediante un multiplexor para que se pueda formar una comunicación correcta.La siguiente figura muestra las posibilidades de enrutamiento de los pares de datos entre los puertos USB tipo C, la orientación del enchufe y la toma de corriente 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.USB-C Power Delivery: ¿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 de solo dos hilos, 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 utilice unProtocolo de transferencia de energía, el método de transferencia de energía desde el extremo de la fuente hasta el extremo del sumidero se muestra en la siguiente figura
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 la corriente VBUS, su función principal es detectar condiciones de sobrecorriente,el circuito de descarga VBUS 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 papel del CC (Configuración de Canal) alambrees configurar la fuente de alimentación para dos dispositivos conectados. Inicialmente, no hay fuente de alimentación en la 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 tirado hacia arriba se definirá como el proveedor de energía (fuente), mientras que el dispositivo con el voltaje hacia abajo se definirá como el consumidor de energía (sumidero).
En la figura anterior se muestra cómo determinar el rolsde la fuente de alimentación y el consumo, la orientación del cable y la capacidad de suministro de corriente. Los CC1 y CC2 en el extremo de la fuente son empujados 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 se conecta el sumidero, el voltaje de CC1 o CC2 es bajado por la resistencia Rd. Dado que solo hay un cable CC en el cable, la fuente puede decir cuál lado de la El CC se tira hacia abajo. También se monitorea el voltaje de CC1 / CC2 en el fregadero, once a CC alambrese encuentra levantado, 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 sumidero es 5.1KΩ, por lo que el voltaje del CC alambreestá 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 bajo alambre(alrededor de 0,41 V) corresponde a la especificación de alimentación USB predeterminada (500 mA para USB 2.0 o 900 mA para USB 3.0) y el CC más alto alambrevoltaje (alrededor de 0,92 V) ) corresponde a una capacidad de corriente de 1,5 A. Si el CC alambrevoltaje es de aproximadamente 1.68V, el correspondiente MLa capacidad de suministro de corriente aximétrica es de 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 la fuente son empujados a un alto voltaje por la resistencia Rp, y tanto CC1 como CC2 en el sumidero son empujados hacia abajo a un voltaje bajo por la resistencia desplegable 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 un estado volteado, el CC1 en el extremo de la fuente y el CC1 en el extremo del sumidero están conectados,después de que el voltaje en CC1 se vea afectado por Rp y Rd, aparece un nuevo valor, este voltaje será medido por el sumidero y así saber 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 1,65 V, lo que significa que la fuente puede suministrar una corriente máxima de 3 A.
Después de que el CCalambrese establece la conexión, se encenderá el voltaje de 5 V 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 tipo C se puede aumentar hasta un máximo de 20 V, 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 trama del sistema USB tipo C, incluido el protocolo PD de la fuente. lado al fregadero ladose 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 de voltaje de bus más altos. Comunicación de DP a través del CC alambretambién está bajo el control del controlador PD. El sistema USB PD también necesita un interruptor para cambiar la alimentación de Vconn a un CC alambre.
Cuando se establece la conexión del cable, la comunicación SOP del protocolo PD comienza a través del CC alambrePara seleccionar la especificación de transmisión de potencia,El sumidero preguntará los parámetros de configuración de potencia (datos de voltaje y corriente del bus) que puede proporcionar la fuente. Dado que la demanda de potencia de la stintaEl final es a menudo relacionado al dispositivo conectado a la hundir(como un cargador), el controlador del 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 y solicita un voltaje de bus más alto.
La comunicación entre el fregadero y la fuente en el CC El cable se parece a los siguientes pasos:
1. El sEl lado de la entrada manuscrita se aplica para obtener los datos de capacidad del lado del origen.
2. La fuente proporciona su información de datos de capacidad.
3. El sumidero selecciona los parámetros de configuración de energía apropiados a partir de la información de datos de capacidad proporcionada por la fuente y envía la 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 disipador se mantiene lo más pequeño posible. El proceso de aumento de la tensión del bus en el extremo de la fuente se lleva a cabo de acuerdo con la velocidad de subida de tensión definida.
5. Después de que el voltaje del bus alcance el valor final, la fuente esperará a que el voltaje del bus se estabilice Y entoncesenvío de una señal de energía lista al hundirunEn este punto, el fregadero puede aumentar su consumo actual. El mismo proceso de comunicación ocurre cuando el sumidero quiere que caiga el voltaje del bus, 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 de energía lista al consumidor
Este método de comunicación garantiza que cualquier cambio de energía 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 apaga la alimentación del bus. UnNueva conexión definitivamente hará la detección de conexión de cable, y el voltaje siempre está en 5V, de modo que esoPuede 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 altos y bajos voltajes, y la transmisión de datos 0 es un alto voltaje fijo o bajo voltaje. 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 figura a continuación:
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 de 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 del voltaje del bus, la forma de onda en el CC alambre, 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: 5 V, 9 V, 15 V y 20 V. Para 5 V, 9 V y 15 V, la corriente máxima es de 3 A. En una configuración de 20 V, si el cable es normal, la salida máxima permitida es de 20 V/3 A (60W). Si un cable especialmente personalizado con Electrónico Marca (E-Mark), los datos correspondientes se pueden ampliar a 20 V/5 A (100W). Un sistema que soporta el voltaje y la potencia más altos gradoTambién debe ser compatible con todos los voltajes y potencias más bajos grados.
5.Cable con Electrónico Mark (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 los cables USB 3.1 que admiten fenomenal transmisión rápida de datos, o cables con corrientes superiores a 3 A, Electrónico Marcardebe ser utilizado. El cable que se muestra en la figura a continuación contiene un circuito integrado cuya función es identificar las características del cable. Este cable animado también puede contener IC para dar forma a la señal, todo lo cual requiere alimentación del VCONN Wierdel cable.
El Vconn en el cable que contiene el Electrónico MarcarEl chip contiene una resistencia pull-down Ra de 1KΩ, y su valor es menor que el de la resistencia Rd, que suele ser de 5,1 kΩ. 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 qué fines tirado hacia abajo por la resistencia de 5,1 kΩ del extremo del fregadero, y que fines tirado hacia abajo por el 1KΩ resistencia del cable, por lo que tLa dirección de insercióndel cablese puede determinar. El efecto desplegable de Ra también permite que el extremo de la fuente sepa que VCONN necesita una fuente de alimentación de 5 V, por lo que necesita suministrar energía al extremo CC para cumplir con los requisitos de energía del Electrónico Marcar.
En la figura siguiente se 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 un Electrónico Marcary el cable está en un estado volteado. Se puede ver que cuando el cable está conectado, un CC alambreen el extremo de la fuente se tira a un voltaje muy bajo por un 1KΩ resistencia del extremo VCONN.
La fuente findetectará este voltaje y sabrá que el cable contiene un Electrónico Chip de marca, por lo que conectará el VCONN de 5V al CC alambrepara suministrar energía al circuito interno del cable.
La comunicación DP que se produzca más tarde incluirá la comunicación entre la fuente y el Electrónico Marcar(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 se pueden usar como fuente y receptor, y se denominan dispositivos que admiten funciones duales (función dual para alimentación, 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, se selecciona el dispositivo DRP de la izquierda como origen y el dispositivo DRP de la derecha como receptor. Esta situación también se puede revertir, a menos que un dispositivo DRP se haya configurado primero para obtener la fuente (por ejemplo, cuando se alimenta mediante un adaptador de alimentación externo) o se haya configurado para que se hunda primero (por ejemplo, cuando se alimenta por una batería).
La conmutación de roles de energía también puede ocurrir durante la conexión, siempre que uno de los dos dispositivos DRP inicie la solicitud de cambio de roles. En la siguiente figura se muestra el proceso de este tipo de cambio de roles.
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