Fornecimento de energia USB-C - O que torna um cabo USB-C um carregamento rápido?
23 de agosto de 2022
Fornecimento de energia USB-C - O que torna um cabo USB-C um carregamento rápido?
Antes do aparecimento da interface Type-C, o cabo USB só podia fornecer 2,5 W de potência, enquanto o cabo USB Type-C permitia que a potência máxima fosse de até 5 V/3 A (15 W). Se o protocolo Power Deliver (PD) for adotado, a tensão e a corrente podem ser aumentadas para 20V/5A (100W), o que permite o fornecimento de energia de grandes dispositivos através da interface USB, como carregar um laptop com uma bateria grande.
Mas, O que torna um cabo USB-C um carregamento rápido?
Fprimeiro,Vamos revisar sobre a interface USB-C e o cabo USB-C
1. Definição de função do PINsde USB Tipo-C
Type-C é uma forma de interface USB. É o único conector USB que não se preocupa com a frente lado e de voltaladoquando é inserido. Ele suporta carregamento padrão USB, transmissão de dados, transmissão de vídeo, transmissão de áudio, saída de exibição e outras funções.
Outra diferença entre o USB Type-C e os padrões mais antigos é sua capacidade de função dupla. Ambas as extremidades de cada cabo USB Type-C são espelhadas, o que significa que os dois dispositivos conectados devem se comunicar entre si para determinar se devem existir como host ou periférico. A comunicação das funções precisa ser realizada separadamente para dados e energia, e esse trabalho deve ser realizado após a conexão do cabo.
A porta do host usada para comunicação de dados é chamada de Downstream Facing Port (DFP) e a porta periférica é chamada de Upstream Facing Port (UFP). Em termos de fonte de alimentação, a extremidade da fonte de alimentação é chamada de extremidade da fonte (Source) e a extremidade do consumo de energia é chamada de extremidade do coletor (Sink). Alguns dispositivos podem ter o recurso DRD (Dual Roles of Data) nos dados e o recurso DRP (Dual Roles of Power) na fonte de alimentação. O CC aramedefine o papel da fonte de alimentação durante a conexão entre os dois dispositivos, comunicando-se através do "Pino CC do canal de configuração" Type-C
2.Como um cabo USB-C para USB-C é conectado?
O diagrama de fiação do cabo USB-C para USB-C Gen 2 completo é o seguinte, fornecido pela P-Shine Electronic Tech Ltd.
Status (1) Conexão direta não invertida
A imagem acima mostra a conexão quando o cabo é Não invertido. Do soquete à esquerda ao soquete à direita, o par RX1 é conectado ao par RX1, o par RX2 é conectado ao par RX2; D+ está conectado a D+, D- está conectado a D-, SBU1 está conectado a SBU2 e CC1 está conectado a CC1. .
Às vezes, os VCONNs em ambas as extremidades do cabo não precisam ser conectados (B5 a B5). Quando o eletrônico assinalarO chip (E-mark) é instalado na placa de circuito impresso do conector USB-C, no B5 do plugue esquerdo e no B5 do plugue direito precisarestar conectados uns aos outros
Estado (2) Fconexão com lábio
Quando o plugue e o soquete à esquerda permanecem os mesmos e o soquete à direita também permanece o mesmo, mas o plugue à direita muda de um lado para o outro (USB-C suporta inserção frontal e traseira), a conexão USB-C Invertida
Neste caso, do soquete à esquerda para o soquete à direita, o par RX1 é conectado ao par TX2, o par RX2 é conectado ao par TX1, D+ ainda está conectado a D+, D- ainda está conectado a D-, SBU1 Conecte-se a SBU1, SBU2 a SBU2 e CC1 conectado a CC2 através do CC arame. Agora, os dados de alta velocidade são transmitidos via RX1+/- e TX1+/- à esquerda para TX2+/- e RX2+/- à direita.
Os plugues esquerdo e direito poderser invertido. Parece que existem quatro métodos de conexão diferentes no total, mas na verdade existem apenas dois, direto (inverter as duas extremidades ao mesmo tempo é equivalente a direto) e flipp unilateralEd.
Portanto, você pode ver quatro pares de pares de sinal de alta velocidade no cabo 3.1 do cabo USB-C para USB-C, mas apenas dois pares estão funcionando ao mesmo tempo, wuando o plugue unilateral virado, os outros dois pares de sinais livres podem substituir o par de trabalho originals. Ou, à medida que as funções de host e periférico para fonte de alimentação ou transferência de dados mudam, os pares de sinais são constantemente alternados.
No sistema USB 3.1, os pares de dados RX/TX precisam ser configurados para cada estado de conexão possível usando um multiplexador para que a comunicação correta possa ser formada.A figura abaixo mostra as possibilidades de roteamento de pares de dados entre portas USB Type-C, a orientação do plugue e do soquete pode ser conhecida medindo o status de CC1/CC2 em cada terminal, o controlador lógico CC pode então concluir a configuração de roteamento do multiplexador, seja no multiplexador ou no chipset USB.
3.Fornecimento de energia USB-C - O que torna um cabo USB-C um carregamento rápido?
O USB PD3.0 está relacionado apenas à fonte de alimentação do cabo e não tem nada a ver com a transmissão de dados. Os cabos de carregamento USB-A tradicionais podem ter apenas dois fios, VBUS e Gound. No entanto, um cabo USB-C para USB-C compatível com PD 3.0 requer pelo menos três fios, VBUS, Gound e CC (Configuração de Canal).
Em um cabo USB Type-C que não usa umprotocolo de transferência de energia, o método de transferência de energia da extremidade da fonte para a extremidade do coletor é mostrado na figura abaixo
A extremidade da fonte do cabo USB Type-C sempre contém uma chave MOSFET para ligar/desligar o VBUS, pode ter a capacidade de detectar a corrente VBUS, sua principal função é detectar condições de sobrecorrente,o circuito de descarga VBUS nele começará a funcionar quando ocorrer sobrecorrente. Os circuitos de detecção de CC1 e CC2 existem nas extremidades da fonte e do coletor.
O papel do CC (Configuração de Canal) arameé configurar a fonte de alimentação para dois dispositivos conectados. Inicialmente, não há fonte de alimentação no VBUS da interface USB Type-C. O sistema precisa definir a função do dispositivo durante a conexão do cabo.O dispositivo com a tensão da linha CC no soquete puxado para cima será definido como o fornecedor de energia (fonte), enquanto o dispositivo com a tensão puxada para baixo será definido como o consumidor de energia (coletor).
A figura acima mostra como determinar a funçãosde fonte de alimentação e consumo, orientação do cabo e capacidade de fornecimento de corrente. O CC1 e o CC2 na extremidade da fonte são puxados para cima pelo resistor Rp, e o CC1/CC2 monitorado está sempre em alta tensão quando nada está conectado. Uma vez que o dissipador é conectado, a tensão de CC1 ou CC2 é puxada para baixo pelo resistor Rd . Como há apenas um fio CC no cabo, a fonte pode dizer qual lado do CC é puxado para baixo. A tensão de CC1/CC2 no lavatório também é monitorada, oum CC aramefor puxado para cima, a mudança em seu nível de tensão permitirá que o dissipador conheça a capacidade de fornecimento de corrente da fonte.O resistor pull-up Rp no circuito também pode ser substituído por uma fonte de corrente, que é fácil de implementar em um circuito integrado e pode ser imune a erros de tensão de alimentação V+.
O valor definido do resistor pull-down Rd no dissipador é 5.1KΩ, então a tensão do CC arameé determinado pelo valor do resistor pull-up Rp na fonte (ou o valor atual da fonte atual). Existem 3 níveis de corrente de barramentoque foram definidos. O CC mais baixo arametensão (cerca de 0,41 V) corresponde à especificação de alimentação USB padrão (500mA para USB 2.0 ou 900mA para USB 3.0) e o CC mais alto arametensão (cerca de 0,92V)) corresponde a uma capacidade de corrente de 1,5A. Se o CC aramea tensão é aproximadamente 1.68V, o correspondente Ma capacidade atual da fonte do aximum é 3A. Os dados relevantes podem referir-se à figura seguinte
A figura abaixo demonstra um caso de medição em que o lado da fonte de alimentação (Source) está conectado ao lado do consumo de energia (Stinta), usando um cabo USB-C para USB-C normal.
Inicialmente, CC1 e CC2 no soquete da fonte são puxados para uma alta tensão pelo resistor Rp, e CC1 e CC2 no coletor são puxados para baixo para uma baixa tensão pelo resistor pull-down Rd.
Depois que o cabo é conectado, CC1 ou CC2 é puxado para uma tensão mais alta, dependendo da direção de inserção do cabo. O cabo, neste caso, não está em um estado invertido, o CC1 na extremidade da fonte e o CC1 na extremidade do coletor estão conectados,depois que a tensão em CC1 é afetada por Rp e Rd, um novo valor aparece, essa tensão será medida pelo coletor e, assim, saberá qual é a capacidade de alimentação de corrente da fonte.
Neste caso, a tensão do CC1 após a conexão é de cerca de 1,65V, o que significa que a fonte pode fornecer uma corrente máxima de 3A.
Após o CCarameconexão for estabelecida, a tensão de 5V no VBUS será ligada.
Em sistemas sem protocolo de fornecimento de energia, a capacidade de fornecimento de corrente no barramento é determinada por Rp/Rd, mas a fonte fornece apenas 5V
Depois de adotar o protocolo Power Delivery (PD), a tensão do barramento do sistema USB Type-C pode ser aumentada para um máximo de 20V, a comunicação entre a fonte e o dissipador em relação à tensão e corrente do barramento é realizada transmitindo códigos BMC seriais no fio CC
O diagrama de estrutura do sistema USB Type-C, incluindo o protocolo PD da origem lado para a pia ladoé mostrado na figura abaixo
Conforme mostrado na figura acima, o lado da fonte contém um conversor de tensão, que é controlado pelo controlador PD do lado da fonte. O conversor de tensão pode ser um conversor Buck, Boost, Buck-Boost ou flyback, dependendo das condições de tensão de entrada e dos requisitos de tensão de barramento mais altos. Comunicação PD através do CC arametambém está sob o controle do controlador PD. O sistema USB PD também precisa de um switch para alternar a alimentação do Vconn para um CC arame.
Quando a conexão do cabo é estabelecida, a comunicação SOP do protocolo PD é iniciada através do CC aramepara selecionar a especificação de transmissão de energia,O coletor perguntará os parâmetros de configuração de energia (dados de tensão e corrente do barramento) que a fonte pode fornecer. Uma vez que a demanda de energia do stintafim é muitas vezes relacionado ao dispositivo conectado ao afundar(como um carregador), o controlador do sistema embarcado do stintafinal precisa se comunicar com o controlador PD da extremidade da fonte para determinar as especificações correspondentes.
A figura abaixo demonstra um exemplo de um controlador PD afundando solicitando uma tensão de barramento mais alta.
A comunicação entre o coletor e a fonte no CC O fio se parece com as seguintes etapas:
1. O sO lado da tinta se aplica para obter os dados de capacidade do lado da origem.
2. A fonte fornece suas informações de dados de capacidade.
3. O coletor seleciona os parâmetros de configuração de energia apropriados das informações de dados de capacidade fornecidas pela fonte e envia uma solicitação correspondente.
4. A fonte aceita a solicitação e modifica a tensão do barramento para o parâmetro correspondente. Durante as mudanças de tensão do barramento, o consumo de corrente do dissipador é mantido o menor possível. O processo de aumento da tensão do barramento na extremidade da fonte é realizado de acordo com a velocidade de aumento de tensão definida.
5. Depois que a tensão do barramento atingir o valor final, a fonte aguardará que a tensão do barramento se estabilize e entãoenviando um sinal de energia pronta para o afundarumNeste ponto, o dissipador pode aumentar seu consumo de corrente. O mesmo processo de comunicação ocorre quando o coletor deseja que a tensão do barramento caia, durante a queda de tensão do barramento, a fonte ativa um circuito de derivação que reduz rapidamente a tensão do barramento por meio da descarga ativa do barramento. Depois de atingir o valor nominal, a fonte aguardará um pouco mais para que a tensão do barramento se estabilize antes de enviar um sinal de energia pronta para o consumidor
Esse método de comunicação garante que quaisquer alterações de energia no barramento estejam dentro das capacidades da fonte e do coletor, evitando condições incontroláveis. Quando a conexão do cabo Type-C é desconectada, a alimentação do barramento também é desligada. UmA nova conexão definitivamente fará a detecção da conexão do cabo, e a tensão está sempre em 5V, de modo que elapode evitar alta tensão quando o cabo é conectado de um dispositivo a outro.
A comunicação USB PD usa o Código de Marca Bifásico (BMC), que é um código de comunicação de linha única. A transmissão de dados 1 requer um processo de comutação entre altas e baixas tensões, e a transmissão de dados 0 É uma alta tensão fixa ou baixa tensão. Cada pacote de dados contém um preâmbulo alternado 0/1, um início de pacote (SOP), um cabeçalho de pacote, bytes de dados de informações, um código de redundância cíclica CRC e um código de fim de pacote (End of Packet). Pacote, EOC), veja a figura abaixo:
A figura abaixo mostra a forma de onda de uma comunicação PD que requer um aumento de tensão de barramento de denso para expandido. A sequência do preâmbulo pode ser vista na última forma de onda expandida.
Os dados de comunicação da BMC podem ser decodificados com um decodificador USB PD, como o analisador EX350 da Ellisys. Com esta ferramenta, os dados da comunicação PD podem ser capturados e o significado de cada pacote de dados é exibido, que contém dados relacionados ao tempo, como valor da tensão do barramento, forma de onda no CC arame, etc., veja a figura abaixo
4. Lista de configuração de energia
A especificação USB PD 3.0 define a seguinte lista de configuração da fonte de alimentação:
Existem 4 valores de tensão separados que são predefinidos: 5V, 9V, 15V e 20V. Para 5V, 9V e 15V, a corrente máxima é de 3A. Em uma configuração de 20V, se o cabo estiver normal, a saída máxima permitida é de 20V/3A (60W). Se um cabo especialmente personalizado com EElétrico Marca (E-Mark)é usado, os dados correspondentes podem ser ampliados para 20V/5A (100W). Um sistema que suporta a mais alta tensão e potência grautambém deve suportar todas as tensões e potências mais baixas graus.
5.Cabo com EElétrico Mark (E-Mark) e Como funciona um chip E-Mark?
A especificação USB Type-C define uma variedade de cabos com especificações diferentes. Não há requisitos especiais para um cabo USB 2.0 de baixa velocidade. Mas para cabos USB 3.1 que suportam súper transmissão rápida de dados ou cabos com correntes superiores a 3A, EElétrico Assinalardeve ser usado. O cabo mostrado na figura abaixo contém um IC cuja função é identificar as características do cabo. Este cabo vivo também pode conter IC para modelagem de sinal, todos os quais requerem energia do VCONN mais sábiodo cabo.
O Vconn no cabo que contém o EElétrico Assinalarcontém um resistor pull-down Ra de 1KΩ, e seu valor é menor que o resistor Rd, que normalmente é 5.1kΩ. Quando esse cabo é inserido, a extremidade da fonte verá a queda de tensão de CC1 e CC2. A mudança de tensão específica dirá ao host qual fimé puxado para baixo pela resistência de 5,1kΩ da extremidade da pia, e que fimé puxado para baixo pelo 1KΩ resistência do cabo, então ta direção de inserçãodo cabopode ser determinado. O efeito pull-down de Ra também permite que a extremidade da fonte saiba que a VCONN precisa de uma fonte de alimentação de 5V, portanto, ela precisa fornecer energia à extremidade CC para atender aos requisitos de energia do EElétrico Assinalar.
A figura abaixo mostra um caso de teste,WhIchA extremidade da fonte de alimentação (fonte) é conectada à extremidade do consumo de energia (coletor) por um cabo com um EElétrico Assinalare o cabo estiver em um estado invertido. Pode-se ver que quando o cabo é conectado, um CC aramena extremidade da fonte é puxado para uma tensão muito baixa por um 1KΩ resistência da extremidade VCONN.
A fonte fimdetectará essa tensão e saberá que o cabo contém um EElétrico Chip de marca, então ele conectará o VCONN de 5V ao CC aramepara fornecer energia ao circuito interno do cabo.
A comunicação PD que ocorre posteriormente incluirá a comunicação entre a fonte e o EElétrico Assinalar(chamado SOP' ou SOP"), e a comunicação entre a fonte e o coletor (chamada SOP)
6. Duplo papel da fonte de alimentação
Alguns dispositivos USB Type-C podem ser usados como fonte e coletor e são chamados de dispositivos que dão suporte a funções duplas (Dual Role for Power, DRP). Os terminais CC1 e CC2 deste dispositivo estão em um estado de níveis altos e baixos alternados. Antes da interconexão, uma vez que a conexão ocorra, os terminais CC de ambos serão alterados, conforme mostrado na figura abaixo.
Nesse caso, o dispositivo DRP à esquerda é selecionado como a origem e o dispositivo DRP à direita é selecionado como o coletor. Essa situação também pode ser revertida, a menos que um dispositivo DRP tenha sido configurado para fonte primeiro (como quando é alimentado por um adaptador de energia externo) ou definido para afundar primeiro (como quando é alimentado por uma bateria).
A troca de função de energia também pode ocorrer durante a conexão, desde que um dos dois dispositivos DRP inicie a solicitação de troca de função. A figura a seguir mostra o processo dessa troca de função.
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