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USB-C Power Delivery - O que torna um cabo USB-C de carregamento rápido?

23 de agosto de 2022
USB-C Power Delivery - O que torna um cabo USB-C de carregamento rápido?


Antes da interface Type-C aparecer, 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 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 carregamento rápido?

FEm primeiro lugar, Vamos rever sobre a interface USB-C e o cabo USB-C

1.Definição da função PINsde USB Tipo-C

Type-C é uma forma de interface USB. É o único conector USB que não se importa com a parte frontalladoe voltarladoquando 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 dupla função. Ambas as extremidades de cada cabo USB Tipo-C são espelhadas, o que significa que os dois dispositivos conectados devem se comunicar entre si para determinar se devem existir como um host ou um 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 DFP (Downstream Facing Port) e a porta periférica é chamada de UFP (Upstream Facing Port). Em termos de fonte de alimentação, a extremidade da fonte de alimentação é chamada de extremidade da fonte (Fonte) e a extremidade do consumo de energia é chamada de extremidade do dissipador (Sink). Alguns dispositivos podem ter o recurso DRD (Funções Duplas de Dados) nos dados e o recurso DRP (Funções Duplas de Energia) na fonte de alimentação. O CCaramedefine o papel da fonte de alimentação durante a conexão entre os dois dispositivos, comunicando-se através do Tipo-C "Configuration Channel Pin CC"



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 estáInvertido. Do soquete à esquerda para o 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 eletrônicoassinalarO chip (E-mark) é instalado na PCB do conector USB-C, no B5 do plugue esquerdo e no B5 do plugue direitoprecisarestar conectados uns aos outros

Estado (2)Fconexão deslizada



Quando o plugue e a tomada à esquerda permanecem os mesmos, 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-CInvertida

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 Connect a SBU1, SBU2 a SBU2 e CC1 conectado a CC2 através do CCarame. Agora, os dados de alta velocidade são transmitidos via RX1+/- e TX1+/- à esquerda para TX2+/- e RX2+/- à direita.

Plugues esquerdo e direitopoderser 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, wQuando o plugue unilateral virou, os outros dois pares de sinal livre 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 sinal 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 soquete pode ser conhecida medindo o status de CC1/CC2 em cada terminal, o controlador lógico CC pode então completar a configuração de roteamento do multiplexador, seja no multiplexador ou no chipset USB.




3. USB-C Power Delivery - O que torna um cabo USB-C de carregamento rápido?

USB PD3.0 está relacionado apenas com a fonte de alimentação do cabo, e não tem nada a ver com a transmissão de dados. Os cabos de carregamento USB-A tradicionais podem ser de 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 (Channel Configuration).

Em um cabo USB Type-C que não usaumProtocolo de transferência de energia, o método de transferência de energia da extremidade da fonte para a extremidade do dissipador é mostrado na figura abaixo



A extremidade de origem do cabo USB Type-C sempre contém um interruptor MOSFET para ligar/desligar VBUS, ele pode ter a capacidade de detectar a corrente VBUS, sua função principal 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 dissipador.

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 na tomada 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 (dissipador).



A figura acima mostra como determinar a funçãosda fonte de alimentação e do consumo, da orientação do cabo e da capacidade de fornecimento de corrente. O CC1 e CC2 na extremidade da fonte são puxados para o alto 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 quallado doCC é puxado para baixo. A tensão de CC1/CC2 na pia também é monitorada, once a CCarameé encontrado para ser puxado para cima, a mudança em seu nível de tensão permitirá que o dissipador saiba a capacidade de alimentação 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 na pia é 5,1KΩ, por isso a tensão do CCarameé determinado pelo valor do resistor pull-up Rp na fonte (ou o valor atual da fonte atual). Existem 3 níveis de corrente de barramento que foram definidos. O CC mais baixoarametensão (cerca de 0.41V) corresponde à especificação de alimentação USB padrão (500mA para USB 2.0 ou 900mA para USB 3.0), e o CC mais altoarametensão (cerca de 0,92V) corresponde a uma capacidade de corrente de 1,5A. Se o CCarametensão é de cerca de 1.68V, o correspondenteMA capacidade de fornecimento de corrente 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 ligado ao lado do consumo de energia (Stinta), usando um cabo USB-C normal para USB-C.

Inicialmente, tanto CC1 quanto CC2 no soquete de origem são puxados até uma alta tensão pelo resistor Rp, e tanto CC1 quanto CC2 no dissipador 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 CC1 na extremidade do dissipador estão conectados,após a tensão em CC1 ser afetada por Rp e Rd, um novo valor aparece, esta tensão será medida pelo dissipador e assim saber qual é a capacidade de alimentação atual da fonte.

Neste caso, a tensão de 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 é estabelecida, a tensão de 5V no VBUS será ligada.

Em sistemas sem um protocolo de fornecimento de energia, a capacidade de alimentação atual no barramento é determinada por Rp/Rd, mas a fonte fornece apenas 5V



Após a adoção do 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 através da transmissão de códigos BMC seriais no fio CC

O diagrama de quadros do sistema USB Type-C, incluindo o protocolo PD da origemladopara a pialadoé 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 de barramento mais altos. Comunicação PD através do CCarametambém está sob o controle do controlador PD. O sistema USB PD também precisa de um interruptor para mudar a alimentação Vconn para um CCarame.

Quando a conexão do cabo é estabelecida, a comunicação SOP do protocolo PD começa através do CCaramepara selecionar a especificação de transmissão de potência,O dissipador irá perguntar os parâmetros de configuração de energia (dados de tensão e corrente do barramento) que a fonte pode fornecer. Desde a demanda de energia do stintafim é muitas vezesrelacionadopara o dispositivo conectado aoafundar(como um carregador), o controlador do sistema embarcado do stintaend 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 de afundamento solicitando uma tensão de barramento mais alta.



A comunicação entre o dissipador e a fonte no CCO fio se parece com as seguintes etapas:

1. O 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 coletor 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 mudanças de tensão do barramento, o consumo de corrente da pia é mantido o menor possível. O processo de elevação da tensão do barramento na extremidade da fonte é realizado de acordo com a velocidade de elevação de tensão definida.

5. Após a tensão do barramento atingir o valor final, a fonte aguardará que a tensão do barramento se estabilizee depoisenviando um sinal de energia pronta para oafundar umNeste ponto, a pia pode aumentar seu consumo de corrente. O mesmo processo de comunicação ocorre quando o dissipador quer 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 através da descarga ativa do barramento. Após atingir o valor nominal, a fonte vai esperar um pouco mais para que a tensão do barramento se estabilize antes de enviar um sinal pronto para o consumidor

Este método de comunicação garante que qualquer mudança de energia no barramento esteja dentro das capacidades da fonte e do dissipador, 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 é sempre em 5V, de modo queelapode evitar a alta tensão quando o cabo está conectado de um dispositivo a outro.

A comunicação USB PD usa Bi-phase Mark Code (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 informação, um código de redundância cíclica CRC e um código de fim de pacote (Fim do pacote). Packet, 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 a partir da 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 de comunicação PD podem ser capturados e o significado de cada pacote de dados é exibido, que contém dados relacionados ao tempo, como valor de tensão de barramento, forma de onda no CCarame, 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 for normal, a saída máxima permitida é 20V/3A(60W). Se um cabo especialmente personalizado comELectronicMarca (E-Mark)é usado, os dados correspondentes podem ser ampliados para 20V/5A(100W). Um sistema que suporta a mais alta tensão e potênciagrautambém deve suportar todas as tensões e potências mais baixasgraus.


5. Cabo comELectronicMark (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 suportamsúpertransmissão rápida de dados, ou cabos com correntes superiores a 3A,ELectronicAssinalardeve ser usado. O cabo mostrado na figura abaixo contém um CI cuja função é identificar as características do cabo. Este cabo animado também pode conter IC para modelagem de sinal, todos os quais exigem energia do VCONNWierdo cabo.



O Vconn no cabo que contém oELectronicAssinalarchip contém um resistor pull-down Ra de 1KΩ, e seu valor é menor que o resistor Rd, que é tipicamente 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 qualfimé puxado para baixo pela resistência de 5,1kΩ da extremidade do dissipador,e quaisfimé 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, então ela precisa fornecer energia para a extremidade CC para atender aos requisitos de energia doELectronicAssinalar.



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 umELectronicAssinalar, e o cabo está em um estado invertido. Pode-se ver que quando o cabo é conectado, um CCaramena extremidade da fonte é puxado para uma tensão muito baixa por um 1KΩ resistência da extremidade VCONN.

A fontefimirá detectar esta tensão e saber que o cabo contém umELectronicMarca chip, então ele conectará o VCONN de 5V ao CCaramepara fornecer energia ao circuito interno do cabo.

A comunicação PD que ocorre posteriormente incluirá a comunicação entre a fonte e oELectronicAssinalar(chamado de SOP' ou SOP"),e a comunicação entre a fonte e o dissipador (chamada SOP)




6.Dupla função da fonte de alimentação

Alguns dispositivos USB Type-C podem ser usados como fonte e coletor, e são chamados de dispositivos que oferecem suporte a funções duplas (Dual Role for Power, DRP). Os terminais CC1 e CC2 deste dispositivo estão em um estado de alternância de níveis altos e baixos. Antes da interconexão, uma vez que a conexão ocorra, os terminais CC de ambos serão alterados, como mostra a 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 definido como fonte primeiro (como quando ele é alimentado por um adaptador de alimentação externo) ou definido para afundar primeiro (como quando ele é alimentado por uma bateria).

A comutação 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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