Entrega de Energia USB-C – O que faz um cabo USB-C carregar rápido?
23 de agosto de 2022
Entrega de Energia USB-C – O que faz um cabo USB-C carregar rápido?
Antes do surgimento da interface Type-C, o cabo USB só podia fornecer 2,5W de energia, enquanto o cabo USB Type-C permitia que a potência máxima fosse de até 5V/3A (15W). Se o protocolo Power Deliver (PD) for adotado, a tensão e a corrente podem ser aumentadas para 20V/5A (100W), o que permite a alimentação de dispositivos grandes via interface USB, como carregar um laptop com uma bateria grande.
Mas, o que faz um cabo USB-C carregar rápido?
FIrst,Vamos revisar sobre interface USB-C e cabo USB-C
1. Definição de Função do PINsdo USB Tipo-C
O Tipo-C é uma forma de interface USB. É o único conector USB que não se importa com a frenteSidee de voltaSidequando 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 duplo papel. Ambas as extremidades de cada cabo USB Tipo-C são espelhadas, o que significa que os dois dispositivos conectados devem se comunicar para determinar se devem existir como host ou periférico. A comunicação dos papéis precisa ser realizada separadamente para dados e energia, e esse trabalho deve ser realizado após a conexão do cabo.
A porta 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 energia, a extremidade da fonte é chamada de extremidade fonte (Fonte), e a extremidade de consumo de energia é chamada de extremidade do dissipador (Sumidouro). Alguns dispositivos podem ter tanto a capacidade de Duplos Papéis de Dados (DRD) nos dados quanto a de Duplos Papéis de Energia (DRP) na fonte de alimentação. O CCfiodefine o papel da fonte de alimentação durante a conexão entre os dois dispositivos, comunicando-se via o Tipo-C "Pino do Canal de Configuração CC"
2.Como um cabo USB-C para USB-C é conectado?
O diagrama de fiação do cabo completo USB-C para USB-C GEN 2 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 estáSem Virar. Do soquete à esquerda até o soquete à direita, o par RX1 está conectado ao par RX1, o par RX2 está 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 para B5). Quando o eletrônicoMarkO chip (E-mark) é instalado na placa de circuito impresso do conector USB-C, o B5 do plugue esquerdo e o B5 do plugue direitoNecessidadepodem estar conectados entre si
Estado (2)Fconexão com lábios
Quando o plugue e a tomada à esquerda permanecem iguais, e a tomada à direitatambémPermanece o mesmo, mas o plugue à direita muda de um lado para o outro (USB-C suporta inserção frontal e traseira), a conexão USB-Cinvertido
Nesse caso, do soquete à esquerda até o soquete à direita, o par RX1 está conectado ao par TX2, o par RX2 está conectado ao par TX1, D+ ainda está conectado a D+, D- ainda está conectado a D-, SBU1 conecta a SBU1, SBU2 a SBU2 e CC1 conectado a CC2 via CCfio. Agora, dados em alta velocidade são transmitidos via RX1+/- e TX1+/- à esquerda para TX2+/- e RX2+/- à direita.
Tanto o plugue esquerdo quanto o direitopodeSerá virado. Parece que existem quatro métodos de conexão diferentes no total, mas na verdade existem apenas dois: direto (virar as duas extremidades ao mesmo tempo equivale a direto) e flipp unilateralEd.
Portanto, você pode ver quatro pares de sinais de alta velocidade no cabo 3.1 do cabo USB-C para USB-C, mas apenas dois pares funcionam ao mesmo tempo, wQuando o plugue de um lado é invertido, os outros dois pares de sinal livres podem substituir o par original funcionals. Ou, à medida que os papéis do host e do periférico para fonte de alimentação ou transferência de dados mudam, os pares de sinal são constantemente alternados.
No sistema USB 3.1, os pares de dados RX/TX precisam ser configurados para cada estado possível de conexão 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 Tipo-C, a orientação do plugue e da tomada pode ser conhecida medindo o status do CC1/CC2 em cada terminal, e o controlador lógico CC pode então completar a configuração de roteamento do multiplexador, seja no multiplexador ou no chipset USB.
3.Entrega de Energia USB-C – O que faz um cabo USB-C carregar rápido?
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 que cumpra PD 3.0 requer pelo menos três fios: VBUS, Gound e CC (Configuração de Canal).
Em um cabo USB Tipo-C que não usaaProtocolo de transferência de energia, o método de transferência de energia da extremidade da fonte para a extremidade do sumidor, é mostrado na figura abaixo
A extremidade fonte do cabo USB Tipo-C sempre contém um interruptor MOSFET para ligar/desligar o VBUS, que pode ter a capacidade de detectar corrente VBUS, sua principal função é detectar condições de sobrecorrente,o circuito de descarga VBUS nele começa a funcionar quando ocorre sobrecorrente. Os circuitos de detecção de CC1 e CC2 existem tanto na extremidade da fonte quanto na de sumidor.
O papel do CC (Configuração do Canal)fioé configurar a fonte de alimentação para dois dispositivos conectados. Inicialmente, não há fonte de alimentação no VBUS da interface USB Tipo-C. O sistema precisa definir o papel do dispositivo durante a conexão do cabo.O dispositivo com a tensão da linha CC no soquete puxada 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 (consumidour).
A figura acima mostra como determinar o papelsde fornecimento e consumo de energia, orientação dos cabos e capacidade de fornecimento de corrente. O CC1 e o CC2 na extremidade da fonte são puxados para alto pelo resistor Rp, e o CC1/CC2 monitorado está sempre em alta tensão quando nada está conectado. Uma vez que o sumidouro 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 identificar qualLado doCC é puxado para baixo. A tensão do CC1/CC2 no pia também é monitorada, once um CCfiose for constatado que está puxado para cima, a mudança no nível de tensão permitirá ao sumidouro saber a capacidade de fornecimento de corrente da fonte.O resistor pull-up Rp no circuito também pode ser substituído por uma fonte de corrente, o 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 sumidouro é 5,1KΩ, então a tensão do CCfioé determinado pelo valor do resistor de pull-up Rp na fonte (ou pelo valor de corrente da fonte de corrente). Existem 3 níveis de corrente de barramentoque foram definidos. O CC mais baixofioa voltagem (cerca de 0,41V) corresponde à especificação padrão de alimentação USB (500mA para USB 2.0 ou 900mA para USB 3.0), e o CC mais altofiotensão (cerca de 0,92V) corresponde a uma capacidade de corrente de 1,5A. Se o CCfioA tensão é cerca de 1,68V, correspondenteMa capacidade máxima de fornecimento de corrente é de 3A. Dados relevantes podem se referir à figura a seguir
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 (Sink), usando um cabo USB-C para USB-C normal.
Inicialmente, tanto o CC1 quanto o CC2 no soquete da fonte são puxados para alta tensão pelo resistor Rp, e tanto o CC1 quanto o CC2 no sumidouro são puxados para baixo para baixo pelo resistor de pull-down Rd.
Após a conexão do cabo, CC1 ou CC2 é puxado para uma tensão mais alta dependendo da direção de inserção do cabo. O cabo, nesse caso, não está em estado invertido, o CC1 na extremidade da fonte e o CC1 na extremidade do sink estão conectados,após a tensão no CC1 ser afetada por Rp e Rd, aparece um novo valor; essa tensão será medida pelo sumidouro e, assim, saberá qual é a capacidade de alimentação de corrente da fonte.
Nesse 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 CCfioa conexão é estabelecida, a tensão de 5V no VBUS será ativada.
Em sistemas sem protocolo de entrega de energia, a capacidade de alimentação de corrente no barramento é determinada por Rp/Rd, mas a fonte fornece apenas 5V
Após adotar o protocolo Power Delivery (PD), a tensão do barramento do sistema USB Tipo-C pode ser aumentada para um máximo de 20V, a comunicação entre a fonte e o sumidouro em relação à tensão e corrente do barramento é realizada transmitindo códigos seriais BMC no fio CC
O diagrama de quadro do sistema USB Tipo-C incluindo o protocolo PD da fonteSidepara a piaSideé mostrado na figura abaixo
Como 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 mais alto no barramento. Comunicação de Defesa Pública através do CCfiotambém está sob o controle do controlador de PD. O sistema de defesa USB também precisa de um switch para transferir a alimentação Vconn para um CCfio.
Quando a conexão do cabo é estabelecida, a comunicação SOP do protocolo PD começa através do CCfiopara selecionar a especificação de transmissão de energia,O Sink solicitará os parâmetros de configuração de energia (dados de tensão e corrente do barramento) que a fonte pode fornecer. Como a demanda de potência dos sTintafim é frequentementeRelacionadopara o dispositivo conectado aoPia(como um carregador), o controlador do sistema embarcado do sTintaa extremidade precisa se comunicar com o controlador PD da extremidade de origem para determinar as especificações correspondentes.
A figura abaixo demonstra um exemplo de um controlador PD afundando solicitando uma tensão no barramento mais alta.
A comunicação entre o pia e a fonte no CCFio parece seguir os seguintes passos:
1. Os sO lado da tinta se aplica para obter os dados de capacidade do lado de origem.
2. A fonte fornece suas informações de dados de capacidade.
3. O sumidouro seleciona os parâmetros de configuração de energia apropriados a partir 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 variações de tensão no barramento, o consumo de corrente do sumidouro é mantido o menor possível. O processo de elevar a tensão do barramento na extremidade da fonte é realizado de acordo com a velocidade definida de elevação da tensão.
5. Após a tensão do barramento atingir o valor final, a fonte esperará a tensão do barramento se estabilizare entãoenviando um sinal de prontidão para oAfunda,aNeste ponto, o sumidouro pode aumentar seu consumo de corrente. O mesmo processo de comunicação ocorre quando o sumidouro quer que a tensão do barramento caia, durante a queda de tensão no barramento, a fonte ativa um circuito de derivação que reduz rapidamente a tensão do barramento por meio da descarga ativa do barramento. Após atingir o valor nominal, a fonte espera um pouco mais para que a tensão do barramento se estabilize antes de enviar um sinal pronto para energia ao consumidor
Esse método de comunicação garante que quaisquer mudanças de energia no barramento estejam dentro das capacidades da fonte e do sumidouro, evitando condições incontroláveis. Quando a conexão do cabo Tipo-C é desconectada, a energia do barramento também é desligada. AMinha nova conexão com certeza vai detectar a conexão do cabo, e a voltagem está sempre em 5V, entãoépode evitar alta voltagem quando o cabo está conectado de um dispositivo a outro.
A comunicação USB PD utiliza o Mark Code (BMC) em bifásico, 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 tensão fixa de alta 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 informação, um código de redundância cíclica CRC e um código de fim de pacote (Fim de Pacote). Pacote, EOC), veja a figura abaixo:
A figura abaixo mostra a forma de onda de uma comunicação PD que requer um aumento de tensão no barramento de denso para expandido. A sequência do preâmbulo pode ser vista a partir da última forma de onda expandida.
Os dados de comunicação BMC podem ser decodificados com um decodificador USB PD, como o analisador EX350 da Ellisys. Com essa ferramenta, os dados da comunicação PD podem ser capturados e o significado de cada pacote de dados é exibido, contendo dados relacionados ao tempo, como valor da tensão do barramento e forma de onda no CCfio, etc., veja a figura abaixo
4. Lista de configuração de energia
A especificação USB PD 3.0 define a seguinte lista de configurações de fontes de alimentação:
Existem 4 valores de tensão separados que são pré-definidos: 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 20V/3A(60W). Se um cabo especialmente personalizado comElectronicMark (E-Mark)se for usado, os dados correspondentes podem ser ampliados para 20V/5A(100W). Um sistema que suporta a mais alta tensão e potênciaSérietambém deve suportar toda a tensão e potência mais baixasSéries.
5.Cabo comElectronicMark (E-Mark) e Como funciona um chip E-Mark?
A especificação USB Tipo-C define uma variedade de cabos com diferentes especificações. Não há requisitos especiais para um cabo USB 2.0 de baixa velocidade. Mas para cabos USB 3.1 que suportamSupertransmissão rápida de dados, ou cabos com correntes superiores a 3A,ElectronicMarkdeve ser usado. O cabo mostrado na figura abaixo contém um CI cuja função é identificar as características do cabo. Esse cabo ativo também pode conter CI para modelagem de sinal, todos os quais requerem energia do VCONNmais estranhodo cabo.
O Vconn no cabo que contém oElectronicMarko chip contém um resistor pull-down Ra de 1KΩ, e seu valor é menor que o do resistor Rd, que normalmente é de 5,1kΩ. Quando tal cabo é inserido, a extremidade da fonte verá a queda de tensão entre CC1 e CC2. A mudança específica de voltagem indicará ao host qualfimé puxado para baixo pela resistência de 5,1kΩ da extremidade do sumidouro, e quefimé puxado para baixo pelo 1KΩ resistência do cabo, então tDireção de inserçãodo cabopode ser determinado. O efeito de pull-down de Ra também permite que a extremidade da fonte saiba que o VCONN precisa de uma fonte de alimentação de 5V, portanto precisa fornecer energia para a extremidade CC para atender aos requisitos de energia doElectronicMark.
A figura abaixo mostra um caso de teste,whichA extremidade da fonte de alimentação (fonte) é conectada à extremidade de consumo de energia (sumidor) por um cabo com umElectronicMark, e o cabo está em estado invertido. Pode-se ver que, quando o cabo é conectado, um CCfiona extremidade da fonte é puxada para uma tensão muito baixa por um 1KΩ resistência do lado VCONN.
A fontefimvai detectar essa tensão e saber que o cabo contém umElectronicChip de marca, então ele conectará o VCONN de 5V ao CCfiopara fornecer energia ao circuito interno do cabo.
A comunicação PD que ocorre posteriormente incluirá a comunicação entre a fonte e oElectronicMark(chamado SOP' ou SOP), e a comunicação entre a fonte e o sumidouro (chamada SOP)
6. Função dupla da fonte de alimentação
Alguns dispositivos USB Tipo-C podem ser usados tanto como fonte quanto como sumidor, e são chamados de dispositivos que suportam funções duplas (Dual Role for Power, DRP). Os terminais CC1 e CC2 deste dispositivo estão em estado de alternância entre níveis altos e baixos. Antes da interconexão, uma vez que a conexão ocorra, os terminais CC de ambos mudam, conforme mostrado na figura abaixo.
Nesse caso, o dispositivo DRP à esquerda é selecionado como fonte, e o dispositivo DRP à direita é selecionado como o sumidor. Essa situação também pode ser invertida, a menos que um dispositivo DRP tenha sido configurado para a fonte primeiro (como quando é alimentado por um adaptador de energia externo), ou configurado para o sink 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 funções. A figura a seguir mostra o processo dessa troca de papéis.
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