С самого начала USB был позиционирован как стандарт внешней шины для быстрой передачи данных. Наблюдая, как стандарт развивался с годами, можно заметить явное смещение в сторону увеличения скорости передачи данных (рис. 1) . Более того, каждое поколение маркировалось с использованием таких терминов, как «полная скорость», «высокая скорость», «супер-скорость» и «супер-скорость +» (рис. 2) , что снова подчеркивало позиционирование USB как протокол связи.
Тем не менее, еще одна область развития USB была отодвинута на второй план в своем развитии - поставка энергии. С акцентом на скорость, доставка энергии никогда не была приоритетом для USB. На самом деле, впервые, когда спецификации были сделаны специально для подачи питания, произошло всего несколько лет назад в 2010 году. Спецификация зарядки аккумулятора - BC 1.2 увеличила мощность питания USB с 4,5 Вт до 7,5 Вт. Эта спецификация ввела режим, называемый CDP (зарядка выходной порт), что обеспечивает более высокий зарядный ток (до 1,5 А) по сравнению с традиционным USB.
1. USB всегда позиционировался как внешняя шина для быстрой передачи данных и развивался таким образом на протяжении многих лет.
Однако эта спецификация была лишь предвестником того, что должно было произойти. Почти одновременно с выпуском USB 3.1 на форуме разработчиков USB-устройств (USB-IF) была опубликована спецификация USB Power Delivery. Эта новая спецификация поставки мощности USB позволяет передавать мощность до 100 Вт, наряду с другими функциями и преимуществами.
История USB Power Delivery: вторичная функция приобретает популярность
Управление питанием было частью спецификаций USB с ранних поколений. Управление питанием в этих начальных поколениях не было предназначено для зарядки аккумулятора. Его целью было исключительно включение периферийных устройств. В соответствии с этой функциональностью USB 1.0 описывает источник питания 5 В при 100 мА (0,5 Вт), в то время как USB 2.0 описывает источник питания 5 В при 500 мА (2,5 Вт).
Несмотря на то, что в спецификациях нет таких указаний, дизайнеры нашли способы использовать USB для зарядки аккумулятора. В результате на рынке были созданы и выпущены зарядные устройства на основе USB. Однако из-за отсутствия спецификации функциональная совместимость была основной проблемой для зарядных устройств USB первого поколения. Эта проблема совместимости в сочетании с растущей популярностью приложений для зарядки аккумуляторов дала USB-IF достаточную причину для рассмотрения вопроса о создании спецификаций для зарядки аккумуляторов. Это привело к спецификации зарядки аккумулятора - BC 1.1 (позже пересмотренной до BC 1.2). С этой спецификацией USB-IF благословил зарядку батареи как законное приложение для USB.
Важно отметить, что BC-1.1 был выпущен как Уведомление об инженерных изменениях (ECN) для USB 2.0, и он значительно отклонился от санкций USB 2.0. В соответствии с USB 2.0 любое USB-устройство может быть классифицировано как маломощное (5 В при 100 мА) или мощное (5 В при 500 мА). При подключении USB-устройству было разрешено первоначально потреблять ток 100 мА, при этом подсчитывая и согласовывая свой баланс мощности с хостом. Основываясь на перечислении, хост либо увеличит мощность до 2,5 Вт, либо продолжит работу на 0,5 Вт.
Спецификация зарядки аккумулятора позволила определить больше источников питания, чем было рекомендовано выше:
1. Стандартный нисходящий порт (SDP): источник питания, соответствующий спецификации USB 2.0.
2. Зарядный выходной порт (CDP): источник питания не совместим с USB 2.0. CDP может подавать до 7,5 Вт (5 В, 1,5 А), а ток 1,5 А может подаваться до подсчета.
В то время как SDP и CDP были расположены на типичных хостах, таких как настольные компьютеры и ноутбуки, третий тип порта, определенный спецификацией BC, включал источники питания, такие как настенные и автоматические адаптеры:
3. Выделенный порт зарядки (DCP): здесь нет перечисления, и зарядка происходит без какого-либо цифрового соединения. DCP поставляет до 1,5 А и 5 В.
В то время как спецификация BC действительно решала довольно много проблем, другие области улучшения оставались открытыми. Некоторые из самых известных были:
• Какой порт использовать? Не все производители правильно обозначили CDP и SDP. В результате пользовательский опыт показал, что некоторые порты быстро заряжали подключенные устройства, в то время как другие порты вообще не заряжались.
• 7,5 Вт недостаточно: для довольно многих устройств, которые потенциально могут получать энергию от источника USB, ограничение в 7,5 Вт не улучшило ситуацию. Примеры включают в себя жесткие диски и внешние диски.
• Поток мощности только однонаправленный: мощность ограничена от хоста к подключенному устройству.
• В некоторых случаях передача данных и подача питания не работали одновременно.
Спецификация USB Power Delivery решает эти проблемы, увеличивая максимальную мощность до 100 Вт (с 7,5 Вт), наряду с другими преимуществами:
• Направление мощности больше не фиксируется.
• Оптимизированное управление питанием через периферийные устройства.
• Интеллектуальное и гибкое системное управление питанием.
• Случаи с низким энергопотреблением могут согласовывать только мощность, требуемую ими.
2. Каждое поколение USB было обозначено такими терминами, как «Hi-speed» и «Super-speed».
Будущее USB Power Delivery
От 7,5 до 100 Вт:
Не все периферийные устройства могут получать питание от USB-кабеля, если максимальная мощность ограничена 7,5 Вт. Примеры включают жесткие диски (HDD), твердотельные накопители, принтеры и мониторы. Следовательно, эти периферийные устройства требуют независимых источников питания за дополнительную плату. Благодаря спецификации мощности, обеспечивающей теоретический максимальный бюджет мощности 100 Вт, многие из этих периферийных устройств теперь могут питаться от USB-кабелей.
Цитируя введение USB PD документ USB-IF: « Увеличьте простоту использования, уменьшите беспорядок, уменьшите еще больше отходов. »
В спецификации мощности питания максимальное напряжение составляет 20 В (в 4 раза больше, чем в предыдущем напряжении 5 В), а максимальный ток составляет 5 А (более чем в 3 раза больше, чем предыдущий максимум 1,5 А). Спецификация источника питания также классифицирует источники питания по профилям:
• Профиль 1 (запуск по умолчанию): 10 Вт (5 В при 2 А)
• Профиль 2: 18 Вт (5 В при 2 А -> 12 В при 1,5 А)
• Профиль 3: 36 Вт (5 В при 2 А -> 12 В при 3 А)
• Профиль 4 (предел Micro B / AB): 60 Вт (5 В при 2 A -> 20 В при 3 A)
• Профиль 5 (стандартное ограничение B / AB): 100 Вт (5 В при 2 A -> 20 В при 5 A)
Когда устройство подключено к хосту, для инициации согласования мощности возникает начальный источник питания 10 Вт. Исходя из выбранного окончательного профиля, мощность передачи составляет 18, 36, 60 или 100 Вт.
Там также серьезные изменения в процессе переговоров о власти. В предыдущих поколениях проводники данных использовались для целей перечисления: при подаче питания через USB осуществляется согласование только с использованием VBUS, без влияния на шину данных. Это приводит ко второму преимуществу:
Передача данных при подаче питания:
Спецификация доставки энергии удаляет шину данных из процесса согласования доставки энергии. Это делает возможным одновременную передачу данных и передачу мощности. Это означает, что устройства могут продолжать выполнять свою основную функцию во время зарядки.
Двунаправленная передача энергии:
Исторически USB-соединение допускало двунаправленную передачу данных, но питание передавалось только с хоста на периферию. Спецификация USB Power Delivery разрешает двунаправленную доставку энергии. Например, если ноутбук подключен к внешнему монитору, который подключен к стене, ноутбук теперь может заряжаться от монитора.
Управление питанием через периферию:
Спецификация поставки энергии помогает оптимизировать поток энергии по нескольким периферийным устройствам путем:
• Позволяет устройствам потреблять столько энергии, сколько им требуется, и потреблять больше энергии, когда того требует приложение. Например, телефон заряжается через USB-соединение с ПК. Затем мы подключаем USB RAID-массив, который требует дополнительной мощности в начале, чтобы все диски вращались, но впоследствии может быть понижен до устойчивого состояния. Система может снизить энергопотребление телефона, передать его в RAID-массив, а затем переместить обратно в телефон, когда питание снова станет доступным.
• Включение интеллектуального / гибкого управления питанием для нескольких периферийных устройств. Например, устройства с батарейным питанием потребляют больше энергии, чем устройства, подключенные к внешнему источнику питания.
• Разрешение устройствам с низким энергопотреблением согласовывать только ту мощность, которая им требуется. Например, гарнитуры могут потреблять меньше энергии, чем внешние жесткие диски.
Вместе они позволяют любому внешнему источнику питания служить источником питания и концентратором для любого хоста или устройств, подключенных к нему.
Общее управление питанием на уровне системы
Питание через USB может оказать существенное влияние на общую эффективность управления питанием на уровне системы. Допустим, нам нужно подключить жесткий диск и дисплей к ноутбуку. Имплантация пред-силовой доставки будет:
1. Подключите источник питания ко всем трем компонентам системы - жесткому диску, дисплею и ноутбуку.
2. HDD и дисплей подключены к ноутбуку.
3. Обмен данными между HDD-ноутбуком и дисплеем-ноутбуком
4. Мощность подается только с ноутбука на жесткий диск или дисплей.
С помощью спецификации поставки вышеуказанная реализация упрощается в следующей степени:
1. Подключите дисплей к источнику питания.
2. Никаких дополнительных источников питания не требуется для ноутбука или жесткого диска. Пользователь просто должен подключить оба к дисплею через USB-соединение. Питание будет передаваться с дисплея на ноутбук и жесткий диск.
Другие соображения
Чтобы в полной мере воспользоваться спецификацией поставки энергии, необходимо выполнить еще несколько требований. USB-IF удовлетворяет большинству этих требований спецификации USB Type-C для упрощения развертывания.
Так каковы эти ограничения и как Type-C преодолевает их?
Что если периферийному устройству требуется сигнал не-USB? Например, сигналы дисплея относятся к типу, отличному от USB, и поэтому внешние дисплеи в настоящее время подключены через DisplayPort, а не через USB. Спецификация доставки энергии позволила бы дисплею включить хост, но тогда эта спецификация недопустима для порта без USB.
Ограничения USB Type-A и Type-B (текущий стандарт USB-IF): Розетка USB на хосте USB или концентраторе USB представляет собой разъем типа A. Соответствующие вилки типа A находятся в кабелях и небольших периферийных устройствах (например, мыши). Однако некоторые большие периферийные устройства (например, принтер) используют съемные кабели. Таким образом, на таких периферийных устройствах требуется розетка. Этот сосуд типа B. Разъемы типа A и типа B похожи электрически, но отличаются механически. В соответствии со спецификацией USB-IF кабель может подавать питание только тогда, когда один конец подключен к типу A, а другой конец к типу B. Это было сделано намеренно, чтобы пользователи не могли подключаться к хосту (что приводило к риску короткого замыкания). Поток мощности происходит только от типа A к типу B, и, таким образом, при данной настройке тока двунаправленный поток энергии невозможен. В такой экосистеме полностью реализовать спецификацию доставки энергии сложно.
Новый стандарт USB-IF Type-C решает вышеуказанные проблемы путем:
• Передача сигнала USB вместе с сигналом DisplayPort через один и тот же разъем.
• Замена разъемов типа A и типа B одним разъемом (тип C), который поддерживает двунаправленный поток энергии. Высота штекера составляет всего 2,4 мм, что намного меньше, чем у типа A (4,5 мм) или типа B (10,4 мм). Следовательно, это полезная функция для хостов, которые стремятся к тонкому дизайну.
3. Разъем Type-C заменяет разъемы USB Type-A, mini DisplayPort и разъемы питания на один разъем. Это приводит к более гладкой конструкции, устраняя необходимость в нескольких USB-портах.
В совокупности это приводит к упрощенной реализации USB с недорогой подачей энергии до 100 Вт. С точки зрения дизайна продукта, разъем Type-C позволяет OEM-производителям создавать более изящные конструкции за счет исключения нескольких портов (рис. 3) . Например, ультратонкий MacBook (первый в мире продукт с разъемом типа C) заменил три разъема - USB Type-A, mini DisplayPort и Power - на один порт Type-C.
Роль USB-IF ограничивается содействием инновациям, связанным с USB, путем определения соответствующих спецификаций. Ответственность за выпуск реальных продуктов на рынке лежит на полупроводниковых компаниях и производителях продуктов.
Простота, обеспечиваемая подачей питания USB и разъемом Type-C, также перенесена в конструкцию контроллеров USB. Например, Cypress предлагает программируемый контроллер CCG1 USB Type-C и контроллер подачи питания. Контроллер объединяет схемы контроля напряжения и тока, что очень важно для адаптеров питания. Он также обеспечивает гибкость проектирования благодаря встроенному программному обеспечению, которое можно обновить во время разработки продукта, на производственной линии или в полевых условиях. Это означает, что когда в будущем будет опубликован ECN IF для передачи питания через USB, он может быть реализован в существующем проекте путем пересмотра встроенного программного обеспечения для достижения соответствия.
Контроллеры также используют преимущества уменьшенной площади, обеспечиваемой разъемом Type-C. Например, контроллер Cypress USB CCG2 USB Type-C предназначен для кабелей EMCA (кабельная сборка с электронной маркировкой). Благодаря небольшому размеру и встроенным возможностям (приемопередатчик типа C, согласующие резисторы и защита от электростатического разряда на уровне системы) требуются только пять внешних компонентов.
Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с технической запиской « Разработка USB Type-C продуктов , Или посмотрите видео «Введение в USB Type-C»:
Рекомендации:
Основы зарядки аккумулятора USB: руководство по выживанию Максим Интегрированные Устройства
USB Power Delivery Specification 1.0 USB-IF
« Как работает зарядка через USB или как не взорвать ваш смартфон ”ExtremeTech”, Ziff Davis
Похожие
Лучший Джон Дир на игрушкахТракторные силовые колеса - отличная игрушка для мальчиков и девочек всех возрастов. Некоторые модели подходят для малышей в возрасте от 1 года. С другой стороны, многие из игрушек также достаточно велики, чтобы держать детей в возрасте до 7 лет, так что вы наверняка подарите своему ребенку долгие годы удовольствия, купив им ездовой трактор. Есть множество разных моделей силовых колес на выбор , некоторые электрические Так каковы эти ограничения и как Type-C преодолевает их?
Что если периферийному устройству требуется сигнал не-USB?
