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USB-C-Stromversorgung - Was macht ein USB-C-Kabel zum Schnellladen?

Aug 23, 2022
USB-C-Stromversorgung - Was macht ein USB-C-Kabel zum Schnellladen?


Bevor die Typ-C-Schnittstelle auftauchte, durfte das USB-Kabel nur 2,5 W Leistung liefern, während das USB-Typ-C-Kabel eine maximale Leistung von bis zu 5 V/3 A (15 W) ermöglichte. Wenn das Power Deliver (PD)-Protokoll verwendet wird, können die Spannung und der Strom auf 20 V/5 A (100 W) erhöht werden, was die Stromversorgung großer Geräte über die USB-Schnittstelle ermöglicht, z. B. das Aufladen eines Laptops mit einem großen Akku.

Aber was macht ein USB-C-Kabel zum Schnellladen?

FErst, Lassen Sie uns die USB-C-Schnittstelle und das USB-C-Kabel überprüfen

1.Funktion Definition der PINsvon USB Typ-C

Typ-C ist eine Form der USB-Schnittstelle. Es ist der einzige USB-Anschluss, der sich nicht um die Vorderseite kümmertSeiteund zurückSeitewenn es eingefügt wird. Es unterstützt USB-Standard-Laden, Datenübertragung, Videoübertragung, Audioübertragung, Display-Ausgabe und andere Funktionen.





Ein weiterer Unterschied zwischen USB Typ-C und älteren Standards ist die Dual-Role-Fähigkeit. Beide Enden jedes USB-Typ-C-Kabels sind gespiegelt, was bedeutet, dass die beiden angeschlossenen Geräte miteinander kommunizieren müssen, um zu bestimmen, ob sie als Host oder als Peripheriegerät existieren sollen. Die Kommunikation der Rollen muss getrennt für Daten und Strom erfolgen, und diese Arbeit sollte nach dem Anschließen des Kabels durchgeführt werden.

Der Host-Port, der für die Datenkommunikation verwendet wird, wird als Downstream Facing Port (DFP) bezeichnet, und der Peripherie-Port wird als Upstream Facing Port (UFP) bezeichnet. In Bezug auf die Stromversorgung wird das Ende des Netzteils als Quellede (Source) und das Ende des Stromverbrauchs als Senkenende (Sink) bezeichnet. Einige Geräte können sowohl über die DRD-Funktion (Dual Roles of Data) für die Daten als auch über die DRP-Funktion (Dual Roles of Power) für das Netzteil verfügen. Das CCDrahtdefiniert die Rolle der Spannungsversorgung während der Verbindung zwischen den beiden Geräten, die über den Typ-C "Configuration Channel Pin CC" kommunizieren



2. Wie wird ein USB-C-auf-USB-C-Kabel angeschlossen?

Der Schaltplan des USB-C-zu-USB-C-Gen-2-Kabels mit vollem Funktionsumfang lautet wie folgt und wird von P-Shine Electronic Tech Ltd. bereitgestellt.

Status (1) Nicht umgedrehte Direktverbindung



Das obige Bild zeigt die Verbindung, wenn das KabelNicht umgedreht. Vom linken Sockel zum rechten Sockel wird das RX1-Paar mit dem RX1-Paar verbunden, das RX2-Paar ist mit dem RX2-Paar verbunden; D+ ist mit D+, D- mit D-, SBU1 mit SBU2 und CC1 mit CC1 verbunden. .

Manchmal müssen die VCONNs an beiden Enden des Kabels nicht angeschlossen werden (B5 auf B5). Wenn die elektronischemarkierenDer Chip (E-Prüfzeichen) ist auf der Platine des USB-C-Anschlusses, dem B5 des linken Steckers und dem B5 des rechten Steckers installiertbenötigenmiteinander verbunden sein

Bundesland (2)Fgelippte Verbindung



Wenn der Stecker und die Buchse auf der linken Seite gleich bleiben und die Buchse auf der rechten Seiteauchbleibt gleich, aber der Stecker auf der rechten Seite wechselt von einer Seite zur anderen (USB-C unterstützt das Einstecken von Vorder- und Rückseite), der USB-C-AnschlussGekippt

In diesem Fall wird von der linken Buchse zur rechten Buchse das RX1-Paar mit dem TX2-Paar verbunden, das RX2-Paar ist mit dem TX1-Paar verbunden, D+ ist weiterhin mit D+ verbunden, D- ist weiterhin mit D-, SBU1 mit SBU1 verbunden, SBU2 mit SBU2 und CC1 ist über den CC mit CC2 verbundenDraht. Nun werden Highspeed-Daten über RX1+/- und TX1+/- auf der linken Seite an TX2+/- und RX2+/- auf der rechten Seite übertragen.

Sowohl der linke als auch der rechte SteckerDoseumgedreht werden. Es scheint, dass es insgesamt vier verschiedene Verbindungsmethoden gibt, aber es gibt eigentlich nur zwei, direktes (das gleichzeitige Umdrehen beider Enden ist gleichbedeutend mit dem direkten) und einseitiges Umdrehened.

Daher können Sie vier Paare von Hochgeschwindigkeitssignalpaaren im 3.1-Kabel des USB-C-zu-USB-C-Kabels sehen, aber nur zwei Paare funktionieren gleichzeitig, wWenn der einseitige Stecker umgedreht ist, können die beiden anderen freien Signalpaare das ursprüngliche Arbeitspaar ersetzens. Oder wenn sich die Host- und Peripherierollen für die Stromversorgung oder die Datenübertragung ändern, werden die Signalpaare ständig umgeschaltet.

Im USB 3.1-System müssen die RX/TX-Datenpaare für jeden möglichen Verbindungszustand mit einem Multiplexer konfiguriert werden, damit eine korrekte Kommunikation hergestellt werden kann.Die folgende Abbildung zeigt die Routing-Möglichkeiten von Datenpaaren zwischen USB-Typ-C-Ports, die Ausrichtung von Stecker und Buchse kann durch Messung des Status von CC1/CC2 an jedem Anschluss bekannt gemacht werden, die CC-Logiksteuerung kann dann die Routing-Konfiguration des Multiplexers entweder im Multiplexer oder im USB-Chipsatz abschließen.




3. USB-C-Stromversorgung - Was macht ein USB-C-Kabel zum Schnellladen?

USB PD3.0 bezieht sich nur auf die Stromversorgung des Kabels und hat nichts mit der Datenübertragung zu tun. Herkömmliche USB-A-Ladekabel können nur aus zwei Drähten bestehen, VBUS und Gound. Ein USB-C-auf-USB-C-Kabel, das PD 3.0 entspricht, erfordert jedoch mindestens drei Drähte, VBUS, Gound und CC (Channel Configuration).

In einem USB-Typ-C-Kabel, das nicht verwendet wirdeinEnergieübertragungsprotokoll ist die Methode der Energieübertragung vom Quellede zum Senkenende in der folgenden Abbildung dargestellt



Das Quellede des USB-Typ-C-Kabels enthält immer einen MOSFET-Schalter zum Ein- und Ausschalten des VBUS, es kann die Fähigkeit haben, den VBUS-Strom zu erkennen, seine Hauptfunktion besteht darin, Überstrombedingungen zu erkennen.Die VBUS-Entladeschaltung beginnt zu arbeiten, wenn ein Überstrom auftritt. Die Detektionsschaltkreise von CC1 und CC2 befinden sich sowohl auf der Quellen- als auch auf der Senkenseite.

Die Rolle des CC (Channel Configuration)Drahtbesteht darin, die Stromversorgung für zwei angeschlossene Geräte zu konfigurieren. Zunächst gibt es keine Stromversorgung am VBUS der USB-Typ-C-Schnittstelle. Das System muss die Rolle des Geräts während der Kabelverbindung definieren.Das Gerät mit der Spannung der CC-Leitung an der Buchse wird als Stromlieferant (Quelle) definiert, während das Gerät mit heruntergezogener Spannung als Stromverbraucher (Senke) definiert wird.



Die obige Abbildung zeigt, wie die Rolle bestimmt wirdsStromversorgung und -verbrauch, Kabelausrichtung und Stromversorgungsfähigkeit. CC1 und CC2 auf der Source-Seite werden durch den Widerstand Rp hoch gezogen, und der überwachte CC1/CC2 hat immer eine hohe Spannung, wenn nichts angeschlossen ist. Sobald die Senke angeschlossen ist, wird die Spannung von CC1 oder CC2 durch den Widerstand Rd nach unten gezogen. Da sich nur ein CC-Draht im Kabel befindet, kann die Quelle erkennen, welcherSeite derCC wird nach unten gezogen. Die Spannung von CC1/CC2 an der Senke wird ebenfalls überwacht, once a CCDrahtnach oben gezogen wird, teilt die Änderung des Spannungspegels der Senke die Stromversorgungsfähigkeit der Quelle mit. Der Pull-up-Widerstand Rp in der Schaltung kann auch durch eine Stromquelle ersetzt werden, die einfach in einer integrierten Schaltung zu implementieren ist und immun gegen V+-Versorgungsspannungsfehler sein kann.

Der definierte Wert des Pull-Down-Widerstands Rd an der Senke beträgt 5,1KΩ, also die Spannung des CCDrahtwird durch den Wert des Pull-up-Widerstands Rp an der Quelle (oder den aktuellen Wert der Stromquelle) bestimmt. Es gibt 3 Stufen des Busstroms die definiert wurden. Der niedrigste CCDrahtDie Spannung (ca. 0,41 V) entspricht der Standard-USB-Leistungsspezifikation (500 mA für USB 2.0 oder 900 mA für USB 3.0) und dem höheren CCDrahtSpannung (ca. 0,92V) ) entspricht einer Strombelastbarkeit von 1,5A. Wenn die CCDrahtSpannung beträgt ca. 1,68V, die entsprechendeMDie maximale Strombelastbarkeit beträgt 3 A. Relevante Daten können sich auf die folgende Abbildung beziehen



Die folgende Abbildung zeigt einen Messfall, bei dem die Netzteilseite (Source) an die Stromverbrauchsseite angeschlossen ist (STinte), mit einem normalen USB-C-auf-USB-C-Kabel.

Zunächst werden sowohl CC1 als auch CC2 auf dem Source-Sockel durch den Widerstand Rp auf eine hohe Spannung gezogen, und sowohl CC1 als auch CC2 auf der Senke werden durch den Pull-Down-Widerstand Rd auf eine niedrige Spannung heruntergezogen.

Nach dem Anschließen des Kabels wird CC1 oder CC2 je nach Einführungsrichtung des Kabels auf eine höhere Spannung hochgezogen. Das Kabel befindet sich in diesem Fall nicht in einem umgedrehten Zustand, der CC1 auf der Quellede und CC1 auf der Senkenseite sind verbunden,nachdem die Spannung an CC1 durch Rp und Rd beeinflusst wird, erscheint ein neuer Wert, diese Spannung wird von der Senke gemessen und weiß somit, wie hoch die Stromversorgungsfähigkeit der Quelle ist.

In diesem Fall beträgt die Spannung von CC1 nach dem Anschließen etwa 1,65 V, was bedeutet, dass die Quelle einen maximalen Strom von 3 A liefern kann.

Nach dem CCDrahtVerbindung hergestellt ist, wird die 5V-Spannung am VBUS eingeschaltet.

In Systemen ohne Power-Delivery-Protokoll wird die Stromversorgungsfähigkeit auf dem Bus durch Rp/Rd bestimmt, aber die Quelle liefert nur 5V



Nach Übernahme des Power Delivery (PD)-Protokolls kann die Busspannung des USB-Typ-C-Systems auf maximal 20V erhöht werdenwird die Kommunikation zwischen Quelle und Senke in Bezug auf Busspannung und -strom durch die Übertragung serieller BMC-Codes auf dem CC-Kabel erreicht

Das Systemrahmendiagramm des USB-Typ-C-Systems einschließlich des PD-Protokolls von der QuelleSeitezum WaschbeckenSeiteist in der folgenden Abbildung dargestellt



Wie in der obigen Abbildung dargestellt, befindet sich auf der Quellseite ein Spannungswandler, der vom quellseitigen PD-Controller gesteuert wird. Der Spannungswandler kann ein Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts-Aufwärts- oder Flyback-Wandler sein, abhängig von den Eingangsspannungsbedingungen und den höchsten Busspannungsanforderungen. PD-Kommunikation über das CCDrahtbefindet sich ebenfalls unter der Kontrolle des PD-Reglers. Das USB-PD-System benötigt auch einen Schalter, um die Vconn-Stromversorgung auf einen CC umzuschaltenDraht.

Wenn die Verbindung des Kabels hergestellt ist, beginnt die SOP-Kommunikation des PD-Protokolls über den CCDrahtSo wählen Sie die Spezifikation der Kraftübertragung aus,Die Senke fragt nach den Leistungskonfigurationsparametern (Spannungs- und Stromdaten des Busses), die die Quelle bereitstellen kann. Da der Leistungsbedarf der sTinteEnde ist oftverwandtan das Gerät, das mit demsinken(z. B. ein Ladegerät), der Embedded-System-Controller des STinteend muss mit dem PD-Controller des Quell-Endes kommunizieren, um die entsprechenden Spezifikationen zu ermitteln.

Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für einen sinkenden TE-Regler, der eine höhere Busspannung anfordert.



Die Kommunikation zwischen der Senke und der Quelle auf dem CCDer Draht sieht wie folgt aus:

1. Die sFreihandseite wird angewendet, um die Prozessfähigkeitsdaten der Quellseite abzurufen.

2. Die Quelle stellt ihre Fähigkeitsdateninformationen bereit.

3. Die Senke wählt die entsprechenden Leistungskonfigurationsparameter aus den von der Quelle bereitgestellten Fähigkeitsdateninformationen aus und sendet eine entsprechende Anforderung.

4. Die Quelle nimmt die Anforderung entgegen und ändert die Busspannung auf den entsprechenden Parameter. Bei Busspannungsänderungen wird die Stromaufnahme der Senke so gering wie möglich gehalten. Der Prozess des Erhöhens der Busspannung auf der Quellenseite erfolgt entsprechend der definierten Spannungserhöhungsgeschwindigkeit.

5. Nachdem die Busspannung den Endwert erreicht hat, wartet die Quelle, bis sich die Busspannung stabilisiert hatUnd dannSenden eines Power Ready-Signals an diesinken einAn diesem Punkt kann die Senke ihren Stromverbrauch erhöhen. Derselbe Kommunikationsprozess findet statt, wenn die Senke möchte, dass die Busspannung abfälltaktiviert die Quelle während des Busspannungsabfalls eine Shunt-Schaltung, die die Busspannung durch aktive Busentladung schnell reduziert. Nach Erreichen des Nennwertes wartet die Quelle etwas länger, bis sich die Busspannung stabilisiert hat, bevor sie ein Power-Ready-Signal an den Verbraucher sendet

Diese Kommunikationsmethode stellt sicher, dass alle Leistungsänderungen auf dem Bus innerhalb der Möglichkeiten von Quelle und Senke liegen, wodurch unkontrollierbare Bedingungen vermieden werden. Wenn die Verbindung des Typ-C-Kabels getrennt wird, wird auch der Bus ausgeschaltet. EinEine neue Verbindung wird auf jeden Fall die Kabelverbindungserkennung durchführen, und die Spannung ist immer bei 5 V, so dasseskann Hochspannung vermeiden, wenn das Kabel von einem Gerät zum anderen angeschlossen wird.

Die USB-PD-Kommunikation verwendet den Bi-Phase Mark Code (BMC), bei dem es sich um einen einzeiligen Kommunikationscode handelt. Die Übertragung von Daten 1 erfordert einen Umschaltvorgang zwischen Hoch- und Niederspannung, und die Übertragung von Daten 0 ist eine feste Hochspannung oder Niederspannung. Jedes Datenpaket enthält eine abwechselnde 0/1-Präambel, eine SOP (Start of Packet), einen Paket-Header, Informationsdatenbytes, einen zyklischen CRC-Redundanzcode und einen Code am Ende des Pakets (End of Packet). Packet, EOC), siehe Abbildung unten:



Die folgende Abbildung zeigt die Wellenform einer TE-Kommunikation, die eine Busspannungserhöhung von dicht auf erweitert erfordert. Die Reihenfolge der Präambel ist aus der letzten erweiterten Wellenform ersichtlich.



BMC-Kommunikationsdaten können mit einem USB-PD-Decoder, wie z. B. dem EX350-Analysator von Ellisys, dekodiert werden. Mit diesem Tool können die Daten der TE-Kommunikation erfasst und die Bedeutung jedes Datenpakets angezeigt werden, das zeitbezogene Daten wie Busspannungswert, Wellenform auf dem CC enthältDrahtusw., siehe Abbildung unten




4.Liste der Energiekonfiguration

Die USB PD 3.0-Spezifikation definiert die folgende Konfigurationsliste für die Stromversorgung:



Es gibt 4 separate Spannungswerte, die vordefiniert sind: 5V, 9V, 15V und 20V. Für 5V, 9V und 15V beträgt der maximale Strom 3A. In einer 20-V-Konfiguration beträgt der maximal zulässige Ausgang 20 V/3 A, wenn das Kabel normal ist(60W). Wenn ein speziell angepasstes Kabel mitELectronikPrüfzeichen (E-Prüfzeichen)verwendet wird, können die entsprechenden Daten auf 20V/5A vergrößert werden(100W). Ein System, das die höchste Spannung und Leistung unterstütztGradmuss auch alle niedrigeren Spannungen und Leistungen unterstützenGrads.


5. Kabel mitELectronikMark (E-Mark) und Wie funktioniert ein E-Mark-Chip?

Die USB-Typ-C-Spezifikation definiert eine Vielzahl von Kabeln mit unterschiedlichen Spezifikationen. Es gibt keine besonderen Anforderungen an ein Low-Speed-USB-2.0-Kabel. Aber für USB 3.1-Kabel, diesuperschnelle Datenübertragung oder Kabel mit Strömen von mehr als 3 A,ELectronikMarkierenverwendet werden. Das in der Abbildung unten gezeigte Kabel enthält einen IC, dessen Funktion darin besteht, die Eigenschaften des Kabels zu identifizieren. Dieses lebhafte Kabel kann auch ICs zur Signalformung enthalten, die alle vom VCONN mit Strom versorgt werden müssenWierdes Kabels.



Der Vconn in dem Kabel, das dieELectronikMarkierenChip enthält einen Pull-Down-Widerstand Ra von 1KΩ, und sein Wert ist kleiner als der Widerstand Rd, der typischerweise 5,1 kΩ beträgt. Wenn ein solches Kabel eingesteckt wird, sieht das Quellenende den Spannungsabfall von CC1 und CC2. Die spezifische Spannungsänderung teilt dem Host mit, welcheEndewird durch den 5,1kΩ Widerstand des Senkendes nach unten gezogen,und welcheEndewird von der 1 nach unten gezogenKΩ Widerstand des Kabels, also ter Einfügerichtungdes Kabelsermittelt werden. Der Pull-Down-Effekt von Ra ermöglicht es der Quelle auch, zu wissen, dass VCONN eine 5-V-Stromversorgung benötigt, so dass es das CC-Ende mit Strom versorgen muss, um den Leistungsbedarf desELectronikMarkieren.



Die folgende Abbildung zeigt einen Testfall,WhIchDie Stromversorgungsseite (Quelle) ist über ein Kabel mit einem Kabel mit einem Stromverbrauchsende (Senke) verbunden.ELectronikMarkieren, und das Kabel befindet sich in einem umgedrehten Zustand. Es ist zu erkennen, dass beim Anschließen des Kabels ein CCDrahtauf der Quellenseite wird durch eine 1 auf eine sehr niedrige Spannung gezogenKΩ Widerstand vom VCONN-Ende.

Die QuelleEndeerkennt diese Spannung und weiß, dass das Kabel eineELectronikChip markieren, so dass der 5-V-VCONN mit dem CC verbunden wirdDraht, um den internen Stromkreis des Kabels mit Strom zu versorgen.

Die PD-Kommunikation, die später stattfindet, umfasst die Kommunikation zwischen der Quelle und derELectronikMarkieren(SOP' oder SOP genannt"),und die Kommunikation zwischen der Quelle und der Senke (SOP genannt)




6.Doppelrolle der Stromversorgung

Einige USB-Typ-C-Geräte können sowohl als Quelle als auch als Senke verwendet werden, und sie werden als Geräte bezeichnet, die zwei Rollen unterstützen (Dual Role for Power, DRP). Die CC1- und CC2-Anschlüsse dieses Geräts befinden sich in einem Zustand abwechselnd hoher und niedriger Pegel. Sobald die Verbindung hergestellt ist, ändern sich vor der Verbindung die CC-Anschlüsse beider, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.


In diesem Fall wird das DRP-Gerät auf der linken Seite als Quelle und das DRP-Gerät auf der rechten Seite als Senke ausgewählt. Diese Situation kann auch umgekehrt werden, es sei denn, ein DRP-Gerät wurde zuerst auf Quelle eingestellt (z. B. wenn es über ein externes Netzteil mit Strom versorgt wird) oder auf Senke (z. B. wenn es von einer Batterie gespeist wird).

Die Umschaltung der Energierolle kann auch während der Verbindung erfolgen, solange eines der beiden DRP-Geräte die Anforderung zum Rollenwechsel initiiert. Die folgende Abbildung zeigt den Prozess eines solchen Rollenwechsels.






 

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