USB-C Power Delivery - Was macht ein USB-C-Kabel zum Schnellladen?
23. August 2022
USB-C Power Delivery - Was macht ein USB-C-Kabel zum Schnellladen?
Bevor die Typ-C-Schnittstelle auf den Markt kam, durfte das USB-Kabel nur eine Leistung von 2,5 W liefern, während das USB-Typ-C-Kabel eine maximale Leistung von bis zu 5 V/3 A (15 W) zuließ. Wenn das Power Deliver (PD)-Protokoll übernommen wird, können Spannung und 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?
FErstens,Schauen wir uns die USB-C-Schnittstelle und das USB-C-Kabel an
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 kümmert Seite und zurückSeitewenn es eingesetzt wird. Es unterstützt das Aufladen nach USB-Standard, Datenübertragung, Videoübertragung, Audioübertragung, Displayausgabe 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 Peripherie existieren sollen. Die Kommunikation der Rollen muss für Daten und Strom getrennt 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 Peripherieport wird als Upstream Facing Port (UFP) bezeichnet. In Bezug auf die Stromversorgung wird das Netzteil als Quellende (Source) und das Ende des Stromverbrauchs als Senkende (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 CC Drahtdefiniert die Rolle des Netzteils 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 voll ausgestatteten USB-C-zu-USB-C-Gen-2-Kabels 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 Kabel Nicht umgeklappt. Von der Buchse links bis zur Buchse rechts wird das RX1-Paar mit dem RX1-Paar verbunden, das RX2-Paar wird mit dem RX2-Paar verbunden; D+ ist mit D+ verbunden, D- ist mit D- verbunden, SBU1 ist mit SBU2 verbunden und CC1 ist mit CC1 verbunden. .
Manchmal müssen die VCONNs an beiden Enden des Kabels nicht angeschlossen werden (B5 auf B5). Wenn die elektronische markierenDer (E-Mark)-Chip ist auf der Platine des USB-C-Steckers, dem B5 des linken Steckers und dem B5 des rechten Steckers installiert benötigenmiteinander verbunden sein
Zustand (2) Fgelippte Verbindung
Wenn Stecker und Buchse auf der linken Seite gleich bleiben und die Buchse auf der rechten Seite auch bleibt gleich, aber der Stecker auf der rechten Seite wechselt von einer Seite zur anderen (USB-C unterstützt das Einstecken auf der Vorder- und Rückseite), der USB-C-Anschluss Gekippt
In diesem Fall wird von der Buchse links bis zur Buchse rechts das RX1-Paar mit dem TX2-Paar verbunden, das RX2-Paar mit dem TX1-Paar, D+ ist noch mit D+ verbunden, D- ist noch mit D- verbunden, SBU1 Mit SBU1 verbinden, SBU2 mit SBU2 und CC1 über den CC mit CC2 verbunden Draht. Nun werden Highspeed-Daten über RX1+/- und TX1+/- links zu TX2+/- und RX2+/- rechts übertragen.
Sowohl der linke als auch der rechte Stecker Doseumgedreht werden. Es scheint, dass es insgesamt vier verschiedene Verbindungsmethoden gibt, aber tatsächlich gibt es nur zwei, direkt (das gleichzeitige Umdrehen beider Enden ist gleichbedeutend mit direkt) und das einseitige Umdrehened.
Daher können Sie im 3.1-Kabel des USB-C-zu-USB-C-Kabels vier Paare von Hochgeschwindigkeitssignalpaaren sehen, aber nur zwei Paare arbeiten gleichzeitig, wWenn der einseitige Stecker umgeklappt wird, können die beiden anderen freien Signalpaare das ursprüngliche Arbeitspaar ersetzens. 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 Hilfe eines Multiplexers konfiguriert werden, damit eine korrekte Kommunikation gebildet werden kann.Die folgende Abbildung zeigt die Routing-Möglichkeiten von Datenpaaren zwischen USB-Typ-C-Anschlüssen, die Ausrichtung des Steckers und der Buchse kann durch Messen des Status von CC1/CC2 an jedem Anschluss ermittelt werden, der CC-Logikcontroller kann dann die Routing-Konfiguration des Multiplexers abschließen, entweder im Multiplexer oder im USB-Chipsatz.
3.USB-C Power Delivery - 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, benötigt jedoch mindestens drei Adern, VBUS, Gound und CC (Channel Configuration).
In einem USB-Typ-C-Kabel, das nicht verwendet wird einPower Transfer Protocol, die Methode der Energieübertragung von der Quellseite zur Senkende, ist in der folgenden Abbildung dargestellt
Das Quellende des USB-Typ-C-Kabels enthält immer einen MOSFET-Schalter zum Ein- und Ausschalten von VBUS, es kann die Fähigkeit haben, VBUS-Strom zu erkennen, seine Hauptfunktion besteht darin, Überstromzustände zu erkennen,Der darin befindliche VBUS-Entladekreis beginnt zu arbeiten, wenn ein Überstrom auftritt. Die Detektionsschaltungen von CC1 und CC2 sind sowohl an der Quelle als auch an der Senke vorhanden.
Die Rolle des CC (Channel Configuration) Drahtdient dazu, 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, bei dem die Spannung der CC-Leitung an der Steckdose hochgezogen wird, wird als Stromlieferant (Quelle) definiert, während das Gerät mit heruntergezogener Spannung als Stromverbraucher (Senke) definiert wird.
Die obige Abbildung zeigt, wie die Rolle bestimmt wirdsvon Stromversorgung und Verbrauch, Kabelausrichtung und Stromversorgungsfähigkeit. CC1 und CC2 auf der Quellenseite werden durch den Widerstand Rp nach oben gezogen, und der überwachte CC1/CC2 steht immer auf einer hohen 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, welcher Seite der CC wird tief gezogen. Die Spannung von CC1/CC2 an der Senke wird ebenfalls überwacht, once a CC DrahtStellt sich heraus, dass sie nach oben gezogen wird, wird die Senke durch die Änderung ihres Spannungspegels über die Stromversorgungsfähigkeit der Quelle informiert.Der Pull-up-Widerstand Rp in der Schaltung kann auch durch eine Stromquelle ersetzt werden, die in einer integrierten Schaltung einfach zu implementieren ist und immun gegen V+-Versorgungsspannungsfehler sein kann.
Der definierte Wert des Abzugswiderstandes Rd an der Senke beträgt 5,1KΩ, also die Spannung des CC Drahtwird durch den Wert des Pull-up-Widerstands Rp an der Quelle (oder den Stromwert der Stromquelle) bestimmt. Es gibt 3 Stufen des Busstromsdie definiert wurden. Der niedrigste CC DrahtSpannung (ca. 0,41 V) entspricht der Standard-USB-Stromversorgungsspezifikation (500 mA für USB 2.0 oder 900 mA für USB 3.0), und die höhere CC-Spannung DrahtSpannung (ca. 0,92V) entspricht einer Strombelastbarkeit von 1,5A. Wenn das CC DrahtSpannung beträgt ca. 1,68 V, die entsprechende MDie maximale Stromversorgungskapazität beträgt 3 A. Relevante Daten können sich auf die folgende Abbildung beziehen
Die folgende Abbildung zeigt einen Messfall, in dem die Stromversorgungsseite (SOurce) wird an die Leistungsaufnahmeseite (STinte), indem Sie ein normales USB-C-auf-USB-C-Kabel verwenden.
Zunächst werden sowohl CC1 als auch CC2 an der Source-Buchse durch den Widerstand Rp auf eine hohe Spannung hochgezogen, und sowohl CC1 als auch CC2 an 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 Einsteckrichtung des Kabels auf eine höhere Spannung hochgezogen. Das Kabel befindet sich in diesem Fall nicht im umgedrehten Zustand, der CC1 auf der Quellseite und CC1 auf der Senkende sind angeschlossen,Nachdem die Spannung an CC1 durch Rp und Rd beeinflusst wurde, erscheint ein neuer Wert, diese Spannung wird von der Senke gemessen und somit wissen Sie, 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 an VBUS eingeschaltet.
In Systemen ohne Power-Delivery-Protokoll wird die Stromversorgungsfähigkeit auf dem Bus durch Rp/Rd bestimmt, die Quelle liefert jedoch nur 5 V
Nach der Übernahme des Power Delivery (PD)-Protokolls kann die Busspannung des USB-Typ-C-Systems auf maximal 20 V erhöht werdenerfolgt die Kommunikation zwischen Quelle und Senke in Bezug auf Busspannung und -strom durch die Übertragung von seriellen BMC-Codes auf dem CC-Draht
Das System-Frame-Diagramm des USB-Typ-C-Systems einschließlich des PD-Protokolls von der Quelle Seite zum Waschbecken Seiteist in der folgenden Abbildung dargestellt
Wie in der obigen Abbildung gezeigt, enthält die Quellseite einen Spannungswandler, der vom quellenseitigen PD-Regler gesteuert wird. Der Spannungswandler kann ein Buck-, Boost-, Buck-Boost- oder Flyback-Wandler sein, abhängig von den Eingangsspannungsbedingungen und den höchsten Busspannungsanforderungen. PD-Kommunikation über das CC Drahtsteht ebenfalls unter der Steuerung des PD-Controllers. Das USB-PD-System benötigt außerdem einen Schalter, um die Vconn-Stromversorgung auf einen CC umzuschalten Draht.
Wenn die Verbindung des Kabels hergestellt ist, beginnt die SOP-Kommunikation des PD-Protokolls über den CC Drahtum die Spezifikation der Energieübertragung auszuwählen,Die Senke fragt nach den Leistungskonfigurationsparametern (Spannungs- und Stromdaten des Busses), die die Quelle bereitstellen kann. Da der Leistungsbedarf der sTinteEnde ist oft verwandt an das Gerät anzuschließen, das mit dem sinken(z. B. ein Ladegerät), den Embedded-System-Controller desTinteDas Ende muss mit dem PD-Controller des Quellendes kommunizieren, um die entsprechenden Spezifikationen zu ermitteln.
Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für einen sinkenden PD-Controller, der eine höhere Busspannung anfordert.
Die Kommunikation zwischen der Senke und der Quelle auf dem CC Die Verdrahtung sieht wie folgt aus:
1. Die sDie Freihandseite 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 Funktionsdateninformationen aus und sendet eine entsprechende Anforderung.
4. Die Quelle akzeptiert die Anfrage und ändert die Busspannung auf den entsprechenden Parameter. Bei Änderungen der Busspannung wird die Stromaufnahme der Senke so gering wie möglich gehalten. Der Prozess des Anhebens der Busspannung auf der Quellenseite wird entsprechend der definierten Drehzahl der Spannungserhöhung durchgeführt.
5. Nachdem die Busspannung den Endwert erreicht hat, wartet die Quelle, bis sich die Busspannung stabilisiert hat Und dannSenden eines Power Ready-Signals an die sinkeneinAn dieser Stelle kann die Senke ihren Stromverbrauch erhöhen. Der gleiche Kommunikationsprozess findet statt, wenn die Senke möchte, dass die Busspannung abfälltaktiviert die Quelle während des Abfalls der Busspannung 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 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 die Stromversorgung des Busses ausgeschaltet. EinWenn Sie eine neue Verbindung herstellen, wird die Erkennung der Kabelverbindung auf jeden Fall durchgeführt, und die Spannung liegt immer bei 5 V, so dass eskann Hochspannung vermeiden, wenn das Kabel von einem Gerät an ein anderes 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 Schaltvorgang zwischen Hoch- und Niederspannung, und die Übertragung von Daten 0 Es handelt sich um eine feste Hochspannung oder Niederspannung. Jedes Datenpaket enthält eine 0/1-Wechselpräambel, einen Paketstart (SOP), einen Paketheader, Informationsdatenbytes, einen zyklischen CRC-Redundanzcode und einen Paketendecode (End of Packet). Paket, EOC), siehe folgende Abbildung:
Die folgende Abbildung zeigt die Wellenform einer PD-Kommunikation, die eine Erhöhung der Busspannung von dicht auf erweitert erfordert. Die Reihenfolge der Präambel ist an der letzten erweiterten Wellenform zu erkennen.
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 enthält Drahtusw., siehe die folgende Abbildung
4. Liste der Energiekonfigurationen
Die USB PD 3.0-Spezifikation definiert die folgende Liste der Netzteilkonfigurationen:
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 die maximal zulässige Ausgangsleistung 20 V/3 A, wenn das Kabel normal ist (60W). Wenn ein speziell angepasstes Kabel mit ELectronik Markierung (E-Prüfzeichen)verwendet wird, können die entsprechenden Daten auf 20V/5A vergrößert werden (100W). Ein System, das die höchste Spannung und Leistung unterstützt Gradmuss auch alle niedrigeren Spannungen und Leistungen unterstützen Grads.
5.Kabel mit ELectronik Mark (E-Mark) und wie funktioniert ein E-Mark-Chip?
Die USB-Typ-C-Spezifikation definiert eine Vielzahl von Kabeln mit unterschiedlichen Spezifikationen. Für ein Low-Speed-USB 2.0-Kabel gibt es keine besonderen Anforderungen. Aber für USB 3.1-Kabel, die super schnelle Datenübertragung oder Kabel mit Strömen über 3 A, ELectronik Markierenmuss verwendet 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 für die Signalformung enthalten, die alle Strom vom VCONN benötigen Wierdes Kabels.
Der Vconn in dem Kabel, das die ELectronik MarkierenChip enthält einen Pulldown-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, welcher Endewird durch den Widerstand von 5,1 kΩ des Senkendes nach unten gezogen, und welche Endewird durch die 1 nach unten gezogenKΩ Widerstandsfähigkeit des Kabels, also tie Einführrichtungdes Kabelsfestgestellt werden kann. Der Pull-Down-Effekt von Ra ermöglicht es der Quelle auch zu wissen, dass VCONN eine 5-V-Stromversorgung benötigt, so dass es die CC-Seite mit Strom versorgen muss, um die Leistungsanforderungen der ELectronik Markieren.
Die folgende Abbildung zeigt einen Testfall,WhichDie Stromversorgungsseite (Quelle) wird mit der Stromversorgungsseite (Senke) über ein Kabel verbunden, das ELectronik Markierenund das Kabel befindet sich in einem umgedrehten Zustand. Es ist zu erkennen, dass beim Anschließen des Kabels ein CC Drahtauf der Quellenseite wird durch eine 1 auf eine sehr niedrige Spannung gezogenKΩ Widerstand vom VCONN-Ende.
Die Quelle Endeerkennt diese Spannung und weiß, dass das Kabel eine ELectronik Chip markieren, sodass der 5-V-VCONN mit dem CC verbunden wird Drahtum den internen Stromkreis des Kabels mit Strom zu versorgen.
Die PD-Kommunikation, die später stattfindet, umfasst die Kommunikation zwischen der Quelle und dem ELectronik Markieren(genannt SOP' oder SOP"), 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 werden als Geräte bezeichnet, die Doppelrollen (Dual Role for Power, DRP) unterstützen. Die Klemmen CC1 und CC2 dieses Geräts befinden sich in einem Zustand von abwechselnd hohen und niedrigen Pegeln. Vor der Verbindung, sobald die Verbindung hergestellt ist, ändern sich die CC-Klemmen beider, wie in der Abbildung unten gezeigt.
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 so eingestellt, dass es zuerst mit Strom versorgt wird (z. B. wenn es über ein externes Netzteil mit Strom versorgt wird) oder dass es zuerst sinkt (z. B. wenn es mit einer Batterie betrieben wird).
Der Wechsel 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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