USB-C-Stromversorgung – Was macht ein USB-C-Kabel schnell ladend?
23. August 2022
USB-C-Stromversorgung – Was macht ein USB-C-Kabel schnell ladend?
Vor dem Erscheinen der Type-C-Schnittstelle durfte das USB-Kabel nur 2,5 W Leistung liefern, während das USB-Typ-C-Kabel eine maximale Leistung von bis zu 5 V/3A (15 W) ermöglichte. Wenn das Power Deliver (PD)-Protokoll verwendet wird, können Spannung und Strom auf 20V/5A (100W) erhöht werden, was die Stromversorgung großer Geräte über die USB-Schnittstelle ermöglicht, zum Beispiel das Laden eines Laptops mit großem Akku.
Aber was macht ein USB-C-Kabel schnelllädbar?
First,Lassen Sie uns die USB-C-Schnittstelle und das USB-C-Kabel besprechen
1. Funktionsdefinition von PINsvon USB Typ-C
Type-C ist eine Form von USB-Schnittstelle. Es ist der einzige USB-Anschluss, dem die Vorderseite egal istSeiteund zurückSeitewenn es eingesetzt wird. Es unterstützt USB-Standardlade, Datenübertragung, Videoübertragung, Audioübertragung, Displayausgabe und weitere Funktionen.
Ein weiterer Unterschied zwischen USB Type-C und älteren Standards ist seine Dual-Rollen-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 Anschluss des Kabels erfolgen.
Der für die Datenkommunikation verwendete Host-Port heißt Downstream Facing Port (DFP), und der Peripherie-Port Upstream Facing Port (UFP). Im Hinblick auf die Stromversorgung wird das Stromversorgungsende als Quellende (Quelle) bezeichnet, und das Stromverbrauchsende als Senkenende (Senke). Einige Geräte können sowohl die Dual Roles of Data (DRD)-Funktion für die Daten als auch die Dual Roles of Power (DRP)-Funktion für das Netzteil haben. Das CCDrahtdefiniert die Rolle der Stromversorgung während der Verbindung zwischen den beiden Geräten, die über den Typ-C "Configuration Channel Pin CC" kommunizieren
2.Wie ist ein USB-C-zu-USB-C-Kabel verbunden?
Der Schaltplan des voll ausgestatteten USB-C-zu-USB-C GEN 2-Kabels lautet wie folgt, bereitgestellt von P-Shine Electronic Tech Ltd.
Status (1) Nicht umgekehrte direkte Verbindung
Das obige Bild zeigt die Verbindung, wenn das KabelUnflipped. Von der linken Steckdose zur rechten Buchse ist das RX1-Paar mit dem RX1-Paar verbunden, das RX2-Paar mit dem RX2-Paar; D+ ist mit D+ verbunden, D- mit D-, SBU1 mit SBU2 und CC1 mit CC1. .
Manchmal müssen die VCONNs an beiden Enden des Kabels nicht angeschlossen werden (B5 zu B5). Wenn die elektronischeMark(E-Mark) Chip wird auf der Leiterplatte des USB-C-Steckers installiert, der B5 des linken Steckers und der B5 des rechten SteckersBedarfmiteinander verbunden sein
Staat (2)FLippenverbindung
Wenn Stecker und Steckdose links gleich bleiben und die Steckdose rechtsaußerdembleibt gleich, aber der Stecker auf der rechten Seite wechselt von einer Seite zur anderen (USB-C unterstützt das Einstecken von vorne und hinten), die USB-C-VerbindungUmgedreht
In diesem Fall ist von der linken Steckdose zur rechten Buchse das RX1-Paar mit dem TX2-Paar verbunden, das RX2-Paar mit dem TX1-Paar, D+ weiterhin mit D+, D- weiterhin mit D-, SBU1 mit SBU1, SBU2 mit SBU2 und CC1 über CC2Draht. Jetzt werden Hochgeschwindigkeitsdaten über RX1+/- und TX1+/- links zu TX2+/- und RX2+/- rechts übertragen.
Sowohl der linke als auch der rechte SteckerKannSei umgedreht. Es scheint, dass es insgesamt vier verschiedene Verbindungsmethoden gibt, aber tatsächlich gibt es nur zwei: direkt (beide Enden gleichzeitig umdrehen entspricht direkt) und einseitigen FlippEd.
Daher sieht man vier Paare von Hochgeschwindigkeitssignalpaaren im 3.1-Kabel des USB-C-zu-USB-C-Kabels, aber nur zwei Paare arbeiten gleichzeitig, wWenn ein einseitiger Stecker umgedreht wird, können die anderen beiden freien Signalpaare das ursprüngliche Arbeitspaar ersetzens. Oder wenn sich die Host- und Peripherierollen für Stromversorgung oder 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 Terminal bestimmt werden; der CC-Logikcontroller 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 schnell ladend?
USB PD3.0 hängt nur mit der Stromversorgung des Kabels zusammen und hat nichts mit der Datenübertragung zu tun. Traditionelle USB-A-Ladekabel können nur aus zwei Drähten bestehen, VBUS und Gound. Ein USB-C-zu-USB-C-Kabel, das PD 3.0 entspricht, benötigt jedoch mindestens drei Kabel: VBUS, Gound und CC (Channel Configuration).
In einem USB-Typ-C-Kabel, das nicht verwendet wirdaPower Transfer Protocol, die Methode der Energieübertragung vom Quellende zum Senkenende, ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt
Das Quellende des USB-Typ-C-Kabels enthält immer einen MOSFET-Schalter zum Ein- und Ausschalten von VBUS, er kann VBUS-Strom nachweisen, seine Hauptfunktion ist die Erkennung von Überstrombedingungen,der VBUS-Entladungskreis darin beginnt zu funktionieren, wenn Überstrom auftritt. Die Detektionsschaltkreise von CC1 und CC2 existieren sowohl am Quell- als auch am Senkenende.
Die Rolle des CC (Channel Configuration)Drahtist die Konfiguration der Stromversorgung für zwei angeschlossene Geräte. Anfangs gibt es keine Stromversorgung am VBUS der USB Type-C-Schnittstelle. Das System muss die Rolle des Geräts während der Kabelverbindung definieren.Das Gerät, dessen Spannung der CC-Leitung an der Steckdose hochgezogen ist, wird als Stromversorger (Quelle) definiert, während das Gerät mit heruntergezogener Spannung als Stromverbraucher (Senke) definiert wird.
Die obige Abbildung zeigt, wie man die Rolle bestimmtsüber Stromversorgung und -verbrauch, Kabelausrichtung und Stromversorgung. Die CC1 und CC2 am Quellende werden vom Widerstand Rp hochgezogen, und die überwachten CC1/CC2 sind immer auf hoher 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 tief gezogen. Auch die Spannung von CC1/CC2 am Sink wird überwacht, once ein CCDrahtwenn festgestellt wird, dass sie nach oben gezogen wird, informiert die Änderung des Spannungspegels die Senke über die Stromversorgungskapazität der Quelle.Der Pull-up-Widerstand Rp in der Schaltung kann ebenfalls durch eine Stromquelle ersetzt werden, die in einer integrierten Schaltung leicht zu implementieren ist und gegen V+-Versorgungsspannungsfehler immun sein kann.
Der definierte Wert des Pull-down-Widerstands Rd am Sink beträgt 5,1KΩ, also die Spannung des CCDrahtwird durch den Wert des Pull-up-Widerstands Rp an der Quelle (oder den Stromwert der Stromquelle) bestimmt. Es gibt drei Stufen des Busstromsdie definiert sind. Der niedrigste CCDrahtDie Spannung (etwa 0,41V) entspricht der Standard-USB-Leistungsspezifikation (500 mA für USB 2.0 oder 900 mA für USB 3.0) und dem höheren CCDrahtSpannung (etwa 0,92 V) entspricht einer Stromkapazität von 1,5 A. Wenn der CCDrahtDie Spannung beträgt etwa 1,68 V, die entsprechendeMDie Aximumstromversorgung beträgt 3A. Relevante Daten können sich auf die folgende Abbildung beziehen
Die folgende Abbildung zeigt einen Messfall, bei dem die Netzteilseite (Source) ist mit der Stromverbrauchsseite verbunden (STinte), mit einem normalen USB-C-zu-USB-C-Kabel.
Anfangs werden sowohl CC1 als auch CC2 an der Quellbuchse durch den Widerstand Rp auf eine hohe Spannung gezogen, und sowohl CC1 als auch CC2 an der Senke werden durch den Pull-down-Widerstand Rd auf eine niedrige Spannung heruntergezogen.
Nachdem das Kabel angeschlossen ist, wird CC1 oder CC2 je nach Einstichrichtung des Kabels auf eine höhere Spannung gezogen. Das Kabel befindet sich in diesem Fall nicht im verdrehten Zustand, das CC1 am Quellende und CC1 am Senkenende sind verbunden,nachdem die Spannung an CC1 durch Rp und Rd beeinflusst wurde, erscheint ein neuer Wert; diese Spannung wird vom Sink gemessen und so ist die Stromversorgung der Quelle bekannt.
In diesem Fall beträgt die Spannung von CC1 nach dem Anschluss etwa 1,65 V, was bedeutet, dass die Quelle einen maximalen Strom von 3A liefern kann.
Nach dem CCDrahtDie Verbindung hergestellt wird, wird die 5V-Spannung am VBUS eingeschaltet.
In Systemen ohne Leistungslieferprotokoll wird die Stromversorgung auf dem Bus durch Rp/Rd bestimmt, aber die Quelle liefert nur 5V
Nach der Einführung des Power Delivery (PD)-Protokolls kann die Busspannung des USB Type-C-Systems auf maximal 20V erhöht werden, die Kommunikation zwischen Quelle und Senker bezüglich Busspannung und Strom erfolgt durch die Übertragung serieller BMC-Codes auf dem CC-Draht
Das Systemrahmendiagramm des USB-Typ-C-Systems einschließlich des PD-Protokolls aus dem QuellcodeSeiteZum WaschbeckenSeiteist in der untenstehenden Abbildung dargestellt
Wie in der obigen Abbildung gezeigt, enthält die Quellseite einen Spannungswandler, der vom Quell-PD-Regler gesteuert wird. Der Spannungswandler kann je nach Eingangsspannungsbedingungen und den höchsten Busspannungsanforderungen ein Buck-, Boost-, Buck-Boost- oder Flyback-Wandler sein. PD-Kommunikation über das CCDrahtsteht außerdem unter der Kontrolle des PD-Controllers. Das USB-PD-System benötigt außerdem einen Schalter, um die Vconn-Stromversorgung auf einen CC umzustellenDraht.
Wenn die Verbindung des Kabels hergestellt ist, beginnt die SOP-Kommunikation des PD-Protokolls über die CCDrahtum die Spezifikation der Stromübertragung auszuwählen,Der Senker fragt nach den Leistungskonfigurationsparametern (Spannungs- und Stromdaten des Buses), die die Quelle bereitstellen kann. Da die Leistungsnachfrage der sTinteEnde ist oftVerwandtauf das Gerät, das mit dem verbunden ist,sinken(wie zum Beispiel ein Ladegerät), dem eingebetteten Systemcontroller des sTinteEnde muss mit dem PD-Controller des Quellendes kommunizieren, um die entsprechenden Spezifikationen zu bestimmen.
Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für einen sinkenden PD-Controller, der eine höhere Busspannung anfordert.
Die Kommunikation zwischen dem Waschbecken und der Quelle auf der CCDas Verdrahten sieht wie folgende Schritte aus:
1. Die sDie Ink-Seite wird verwendet, um die Fähigkeitsdaten der Quellseite zu erhalten.
2. Die Quelle stellt ihre Fähigkeiten zur Verfügung.
3. Die Senke wählt die entsprechenden Leistungskonfigurationsparameter aus den von der Quelle bereitgestellten Fähigkeitsdaten aus und sendet eine entsprechende Anfrage.
4. Die Quelle akzeptiert die Anfrage und ändert die Busspannung auf den entsprechenden Parameter. Während der Busspannungsänderungen wird der Stromverbrauch der Senke so gering wie möglich gehalten. Der Prozess zur Erhöhung der Busspannung am Quellende erfolgt gemäß der definierten Spannungserhöhungsgeschwindigkeit.
5. Nachdem die Busspannung den Endwert erreicht hat, wartet die Quelle, bis sich die Busspannung stabilisiert hatund dannsendet ein Bereitschaftssignal an dassinken,aAn diesem Punkt kann die Spüle ihren aktuellen Verbrauch erhöhen. Der gleiche Kommunikationsprozess findet statt, wenn der Sink möchte, dass die Busspannung sinkt, während des Bus-Spannungsabfalls aktiviert die Quelle eine Shuntschaltung, die die Busspannung durch aktive Busentladung schnell reduziert. Nach Erreichen des Nennwerts wartet die Quelle etwas länger, bis sich die Busspannung stabilisiert hat, bevor sie ein leistungsbereites Signal an den Verbraucher sendet
Diese Kommunikationsmethode stellt sicher, dass etwaige Leistungsänderungen am 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 Strom am Bus abgeschaltet. AMeine neue Verbindung wird definitiv die Kabelverbindungserkennung übernehmen, und die Spannung liegt immer bei 5V, alsoEskann hohe Spannungen vermeiden, wenn das Kabel von einem Gerät zum anderen angeschlossen ist.
Die USB-PD-Kommunikation verwendet den Bi-Phase Mark Code (BMC), einen einzeiligen Kommunikationscode. Die Übertragung von Daten 1 erfordert einen Schaltvorgang zwischen hohen und niedrigen Spannungen sowie die Übertragung von Daten 0. Es handelt sich um eine feste Hochspannung oder Niederspannung. Jedes Datenpaket enthält eine 0/1 alternierende Präambel, einen Start of Packet (SOP), einen Paketkopf, Informationsbytes, einen CRC-Cyclic Redundancy-Code und einen End-of-Packet-Code (End of Packet). Packet, EOC), siehe die Abbildung unten:
Die folgende Abbildung zeigt die Wellenform einer PD-Kommunikation, die eine Busspannungserhöhung von dicht auf expandiert erfordert. Die Abfolge der Präambel ist aus der letzten erweiterten Wellenform zu erkennen.
BMC-Kommunikationsdaten können mit einem USB-PD-Decoder wie dem EX350-Analysator von Ellisys dekodiert werden. Mit diesem Tool können die PD-Kommunikationsdaten erfasst und die Bedeutung jedes Datenpakets angezeigt werden, das zeitbezogene Daten wie Busspannungswert und Wellenform auf dem CC enthältDraht, usw., siehe die Abbildung unten
4. Leistungskonfigurationsliste
Die USB PD 3.0-Spezifikation definiert folgende Konfigurationsliste für das Netzteil:
Es gibt vier separate Spannungswerte, die vordefiniert sind: 5V, 9V, 15V und 20V. Für 5V, 9V und 15V beträgt der maximale Strom 3A. In einer 20V-Konfiguration beträgt das maximal zulässige Ausgangssignal, wenn das Kabel normal ist, 20V/3A(60W). Wenn ein speziell angepasstes Kabel mitELectronicMark (E-Mark)verwendet wird, können die entsprechenden Daten auf 20V/5A vergrößert werden(100W). Ein System, das die höchste Spannung und Leistung unterstütztSteigungmuss außerdem alle niedrigeren Spannungen und Stromversorgungen unterstützenSteigungs.
5.Kabel mitELectronicMark (E-Mark) und wie funktioniert ein E-Mark-Chip?
Die USB Type-C-Spezifikation definiert eine Vielzahl von Kabeln mit unterschiedlichen Spezifikationen. Es gibt keine besonderen Anforderungen für ein langsames USB-2.0-Kabel. Aber für USB-3.1-Kabel, die das unterstützenSuperschnelle Datenübertragung oder Kabel mit Strömen über 3A,ELectronicMarkMuss benutzt werden. Das in der untenstehenden Abbildung gezeigte Kabel enthält einen IC, dessen Funktion es ist, die Eigenschaften des Kabels zu identifizieren. Dieses lebendige Kabel kann auch IC für die Signalformung enthalten, die alle Strom vom VCONN benötigenwierdes Kabels.
Die Vconn im Kabel, das das enthält,ELectronicMarkChip 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 eingesetzt wird, erkennt das Quellende den Spannungsabfall von CC1 und CC2. Die spezifische Spannungsänderung sagt dem Wirt, welcheEndewird durch den Widerstand von 5,1 kΩ am Senkenende nach unten gezogen, und welcheEndewird von der 1 nach unten gezogenKΩ Widerstand des Kabels, so tDie Einführungsrichtungdes Kabelskann bestimmt werden. Der Pull-down-Effekt von Ra ermöglicht es dem Quellende außerdem zu wissen, dass VCONN eine 5V-Stromversorgung benötigt, sodass es das CC-Ende mit Strom versorgen muss, um den Strombedarf desELectronicMark.
Die folgende Abbildung zeigt einen Testfall,whichDas Stromversorgungsende (Quelle) ist über ein Kabel mit einem Kabel mit einemELectronicMark, und das Kabel befindet sich in einem umgedrehten Zustand. Man kann erkennen, dass beim Anschließen des Kabels ein CCDrahtam Quellenende wird von einer 1 auf eine sehr niedrige Spannung gezogenKΩ Widerstand von der VCONN-Seite.
Die QuelleEndewird diese Spannung erkennen und wissen, dass das Kabel einELectronicMark-Chip, also wird der 5V-VCONN mit dem CC verbundenDrahtum Strom an den internen Stromkreis des Kabels zu liefern.
Die spätere PD-Kommunikation umfasst die Kommunikation zwischen der Quelle und demELectronicMark(genannt SOP' oder SOP"), und die Kommunikation zwischen Quelle und Senke (genannt SOP)
6. Doppelfunktion der Stromversorgung
Einige USB-Typ-C-Geräte können sowohl als Quelle als auch als Senke verwendet werden und werden als Geräte bezeichnet, die Doppelrolle unterstützen (Dual Role for Power, DRP). Die CC1- und CC2-Anschlüsse dieses Geräts befinden sich in einem Zustand wechselnder hoher und niedriger Stufen. Vor der Verbindung ändern sich nach der Verbindung die CC-Anschlüsse beider Anschlüsse, wie in der untenstehenden Abbildung gezeigt.
In diesem Fall wird das DRP-Gerät links als Quelle ausgewählt und das DRP-Gerät rechts als Senke. Diese Situation kann auch umgekehrt werden, es sei denn, ein DRP-Gerät wurde als Erstquelle eingestellt (z. B. wenn es von einem externen Netzteil mit Strom versorgt wird) oder auf Sink zuerst eingestellt (z. B. wenn es von einer Batterie betrieben wird).
Während der Verbindung kann auch das Stromschalten erfolgen, solange eines der beiden DRP-Geräte die Rollenwechselanfrage initiiert. Die folgende Abbildung zeigt den Prozess eines solchen Rollenwechsels.
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