Bagaimana cara pengisian USB dan port pengisian "pintar" (mis. PowerIQ Anker) bekerja?

Insinyur perangkat lunak dengan pemahaman hobi tentang EE di sini.

Saya perhatikan belakangan ini banyak klaim dari produsen paket baterai USB bahwa port mereka "pintar" dan "mengidentifikasi perangkat" untuk "memberikan arus maksimum untuk perangkat." Pandangan sepintas ke masalah tampaknya menyiratkan bahwa ini bukan bahasa pemasaran sepenuhnya, dan sebenarnya ada sesuatu yang lebih rumit terjadi.

Tidak memahami kimia halus baterai lithium-ion atau sifat pengontrol pengisian daya, saya akan menebak bahwa untuk mengisi baterai secepat mungkin, Anda akan menarik arus sebanyak mungkin, membatasi hanya pada spesifikasi baterai. Ini tidak harus menjadi kasus, karena didokumentasikan bahwa perangkat membatasi pengisian daya ke 1A dalam beberapa kasus, ketika pasti mereka dapat menarik lebih banyak. Kenapa ini?

Jika undian saat ini sangat terkontrol, apa yang terjadi dengan port cerdas ini agar perangkat dapat menarik lebih banyak arus? Dari halaman produk untuk baterai Anker, mereka mengklaim port mereka mengidentifikasi perangkat dan "berbicara bahasa pengisian yang unik" (ungkapan itu membuat saya mual). Mungkin saya seharusnya tidak bereaksi begitu keras terhadap ungkapan itu - apakah jalur data USB benar-benar digunakan untuk menegosiasikan beberapa pola pengisian daya?

Terima kasih!

Ada dua tambahan pada spesifikasi USB yang memungkinkan arus lebih dari 500mA.

spesifikasi pengisian baterai usb 1.1 . Memungkinkan hingga 1.3A.

spesifikasi pengisian baterai usb 1.2 (dan ini ). Memungkinkan hingga 5A.

Ringkasan:

• USB 2.0 - BCS 1.1: 1.3A saat ini, tidak ada transmisi data.
• USB 2.0 - BCS 1.2: 5A terkini dengan data.
• USB 3.0 - BCS 1.2: 5A penanganan saat ini tetapi saat ini terbatas pada 1.5A, tidak ada data.

Lebih banyak dapat ditemukan di sini

Sunting: Terkadang pabrikan tidak mengikuti standar dan menggunakan sesuatu yang merupakan hak milik. Kadang-kadang "sesuatu yang berpemilik" adalah membiarkan pin data tergantung di udara atau pada tegangan tertentu dan kemudian memberikan jumlah arus yang berubah-ubah ...

Dalam praktiknya, pengisi daya 'pintar' menggunakan chip khusus yang disebut Pengontrol Port Biaya Khusus . Kontroler DCP dapat bertindak seperti pengisi daya yang berbeda, dan memilih mode yang tampaknya paling berhasil.

Itu karena pengisi daya dinding biasa ('bisu') menggunakan koneksi data USB untuk memberi sinyal dengan cara analog dan statis sesuai kemampuan mereka. Pengisi daya 'Cerdas' dapat melakukan hal yang sama, tetapi dengan cara yang kurang statis: mereka mengamati perilaku perangkat pengisian, dan mengurangi dari pengaturan ideal - yang kemudian dapat ditiru.

Contoh chip pengontrol port muatan khusus adalah seri Texas Instruments TPS2510 'USB Charging Port Controller', Maxim MAX14600 series 'USB Host Charger Identification / Adapter Emulator' dan Norelsys NS3601 'USB Fast Charging Port Controller'.

Gambar dari lembar data TPS2513a (TI hak cipta):

Demikian pula, MAX14600 (Maxim hak cipta):

Anda dapat melihat bahwa jalur data USB ('DP' dan 'DM') memiliki beberapa sumber daya yang dapat dikonfigurasi, dan ini dikendalikan oleh beberapa logika 'pintar'.

Beberapa penjelasan

Perangkat berbayar yang berbeda memerlukan jenis pengisi daya yang berbeda pula. Ini sebagian karena spesifikasi USB pada awalnya tidak menentukan perilaku 'pengisian', dan sebagian karena beberapa produsen ingin perangkat mereka hanya mengisi daya paling cepat pada colokan dinding mereka sendiri. Selain itu, perangkat mungkin tidak menarik arus lebih dari yang diasumsikan diizinkan , untuk menghindari risiko panas berlebih pada sumber daya yang dirancang secara tidak benar.

Catatan: penjelasan di bawah ini mengabaikan teknologi USB3, USB Power Delivery, dan Qualcomm Quick Charge, yang semakin memperumit masalah (misalnya, mereka mendukung peningkatan tegangan di atas 5 Volt).

Jenis soket USB ini dapat dibedakan:

• Port USB biasa (seperti pada PC). Ini disebut SDP , Standard Downstream Port. SDP memasok hingga 100 mA, dan dapat meningkatkan batas hingga 500mA jika perangkat yang terhubung memintanya, dan host USB setuju bahwa itu mungkin dan diizinkan.
  • Dalam praktiknya, hampir semua SDP menghasilkan 500mA bahkan tanpa komunikasi yang memadai. Gadget USB seperti kipas kecil dan pemanas mug tidak berkomunikasi, tetapi masih membutuhkan lebih dari 100mA.
• Port USB dengan kemampuan komunikasi dan fungsionalitas pengisian tambahan. Ini disebut CDP : Charging Downstream Port. Yang ini dapat memasok hingga 1500mA. Perangkat hilir yang tidak berkomunikasi dapat memberitahukan hal ini ke pengisi daya dengan menghubungkan jalur data USB D + dan D- dengan resistansi atau dengan arus pendek.
• Standar Industri Telekomunikasi Tiongkok YD / T 1591-2009 ada sebelum dan menginspirasi spesifikasi CDP. Ini menentukan pendek antara D + dan D-.
• Port USB tanpa kemampuan komunikasi (seperti pada steker dinding). Ini disebut DCP : Port Pengisian Khusus. Ini pada dasarnya adalah CDP tanpa sarana untuk berbicara dengan host USB (PC).
• Port DCP yang tidak mengikuti spesifikasi DCP (dari sepcification Pengisian Baterai USB versi 1.2). Colokan dinding ini memiliki berbagai pengaturan resistor yang terhubung ke saluran data, menghasilkan voltase tetap yang dapat dibaca oleh perangkat pengisi daya. Daftar voltase 'dapat dikenali' sangat panjang, ini hanya kutipan:
  • Apple 0.5A (D + pada 2V, D- @ 2V)
  • Apple 1A (2V / -2.8V)
  • Apple 2.1A (2.7V / 2.0V)
  • Apple 2.4 A (2.7V / 2.0V)
  • Sony (3.3V / 3.3V)
  • Banyak (termasuk Samsung) 2A (1.2V / 1.2V)

Pengisi daya 'Smart' - yaitu 'chip pengontrol DCP di dalamnya - dapat meniru port DCP standar dengan nilai resistor yang bervariasi, dan juga dapat meniru beberapa voltase DCP yang tidak standar.

Saus rahasia

Pembuat chip tidak benar-benar menggambarkan cara kerja logika 'deteksi' mereka, tetapi satu-satunya pilihan yang mereka miliki adalah memantau apa yang dilakukan perangkat pengisian pada D + dan D-line, dan untuk melihat arus yang sedang ditarik.

Tidak diragukan lagi, ini membutuhkan banyak riset coba-coba, dan algoritmanya mungkin disimpan sebagai rahasia yang dijaga ketat.

Salah satu teknik yang mungkin digunakan, adalah siklus melalui negara ditiru dan mencatat jumlah arus yang ditarik. Negara dengan hasil undian tertinggi saat ini adalah yang terbaik dan tetap aktif.

Catatan samping

Jangan bingung dengan pemasaran produsen pengisi daya yang mengklaim bahwa pengisi daya " memberikan arus maksimum untuk perangkat". Soket USB adalah sumber tegangan ; itu hanya mengontrol tegangan dan itu adalah perangkat pengisian yang 'memutuskan' berapa banyak arus yang dibutuhkan saat pengisian.

Jadi tidak mungkin pengisi daya dapat 'memaksa' arus ke perangkat yang tidak menerimanya, setidaknya tidak dengan tetap di bawah aman maksimum 5,1 Volt.

Satu-satunya hal yang terjadi adalah beberapa tipu daya untuk membuat perangkat pengisi daya percaya bahwa itu terhubung ke pengisi daya yang paling mampu, paling cocok, paling kompatibel yang bisa dibayangkan.

Tautan lebih lanjut

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB
• http://lygte-info.dk/info/USBinfo%20UK.html
• http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2514a-q1.pdf
• https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX14600-MAX14618.pdf
• http://www.norelsys.com/English/chanpinzhongxin/SMARTPOWER/2015/0601/123.html

Saya hanya seorang insinyur perangkat lunak juga, tetapi bagian dari pekerjaan saya melibatkan membaca dokumen spesifikasi USB. Inilah yang saya tahu:

Ada dua protokol resmi untuk daya atas USB. Yang pertama, BCD, dirilis pada 2007 dan diperbarui pada 2010. Ini menggunakan berbagai trik jalur data untuk mengidentifikasi seberapa besar daya yang dimiliki perangkat hilir untuk tenggelam. Ini tidak harus berupa jabat tangan USB penuh. Misalnya, pengisi daya khusus mengidentifikasikannya hanya dengan menyingkat D + ke D-. Itu menunjukkan bahwa perangkat hilir dapat tenggelam hingga arus pengisian max, yang saya percaya adalah 1,5A. Anda dapat membaca spesifikasi BCD di sini .

Protokol yang lebih baru adalah PD (Power Delivery), yang didistribusikan sebagai bagian dari spesifikasi USB utama . PD sangat menarik. Hal ini memungkinkan untuk informasi daya untuk dipertukarkan melalui jalur tegangan daripada jalur data, dan dapat mendukung hingga 100W (20V / 5A). Namun, aplikasi daya tinggi memerlukan kabel untuk ditandai secara elektronik untuk menunjukkan bahwa kabel dapat mendukung tegangan tinggi / arus tinggi tanpa meleleh. :-) Ada beberapa "tanda" yang ditentukan dalam spesifikasi, tetapi semuanya tampaknya melibatkan menjatuhkan resistor atau kapasitor di antara dua pin di colokan.

Yang mengatakan, kemungkinan kabel atau pengisi daya benar-benar menerapkan seluruh spesifikasi dengan benar tampaknya cukup rendah. Anda dapat mengikuti eksploitasi Benson Leung di Amazon.com untuk melihat berapa banyak cara yang ditemukan produsen untuk mengacaukannya.

Saya tidak tahu pasti, tetapi saya pikir sangat mungkin bahwa label pemasaran seperti "PowerIQ" menunjukkan pengisi daya yang mencoba untuk mencapai kompatibilitas dengan sebanyak mungkin perangkat dan kabel, termasuk yang sangat tidak standar. Sayangnya, tidak ada cara yang baik untuk mengatakan seberapa dekat pengisi daya tertentu dengan ideal itu.

(topik lama, tetapi informasi baru berdasarkan spesifikasi USB terbaru.)

Seperti yang telah disebutkan, spesifikasi USB yang baru memungkinkan tegangan pengisian lebih dari 5V, jika perangkat memintanya.

Di bawah "USB Power Delivery" (PD) extension (USB PD rev. 3.0, ver 1.0a sekarang), hingga 5A pada 5V, 9V, 15V, atau 20V dapat disediakan untuk perangkat yang terpasang, dengan maksimum 100W bersumber. Ada banyak aturan yang harus "diikuti oleh perangkat yang meminta" untuk kasus-kasus ini.

Ini biasanya untuk komputer notebook atau perangkat lain yang memiliki jumlah sel dan / atau voltase operasi yang lebih tinggi. Kabel juga harus dirancang dan ditentukan untuk menangani kondisi ini.

(ya, saya seorang EE ... selama lebih dari 35 tahun)

Saya berbagi mual Anda di bahasa itu, bagaimanapun, saya setuju bahwa ada kemungkinan kebenaran di balik masalah ini. Perangkat USB mendeklarasikan diri mereka berdasarkan pada vendor, produk, dan ID perangkat sehingga host dapat mengenali apa yang sedang terhubung dan memperlakukannya sesuai (mis: menemukan driver yang sesuai). Selain itu, saya bukan ahli baterai, tetapi saya sudah cukup terpapar untuk mengetahui bahwa baterai Li-ion memiliki beberapa persyaratan pengisian yang aneh untuk menghindari panas berlebih. Tidaklah beralasan untuk berpikir bahwa produk USB dapat menegosiasikan pola pengisian yang lebih optimal seperti yang dijelaskan di sini mengingat bahwa itu berinteraksi dengan driver atau produk yang dirancang khusus di ujung lainnya.

Contoh dari pola pengisian Li-ion yang saya lihat adalah arus konstan sampai tegangan baterai mencapai 4.0V diikuti oleh tegangan konstan sampai baterai mencapai 4.2V. Mungkin baterai yang berbeda memiliki pola yang berbeda (sekali lagi, saya bukan ahli baterai).

[...] sebenarnya ada sesuatu yang lebih rumit terjadi.

Iya nih. Singkatnya, smart port menggunakan peretasan mekanisme pengisian yang tidak standar untuk mencapai arus optimal. Asumsi umum bahwa semua perangkat USB mendasarkan protokol pengisian daya mereka hanya pada spesifikasi USB atau ekstensi BCS salah.

Banyak pengisi daya USB hanya memiliki port pin data mengambang 'bisu' yang dijelaskan oleh BCS, alias DCP, Dedicated Charging Ports.

Smart port dapat bertindak seperti dumb port (DCP) atau dapat meniru beberapa port berpemilik jika spesifikasi USB / BC tidak didukung atau optimal. Persaingan ini dapat terurai dalam skenario tertentu dan menyebabkan masalah, itulah sebabnya setiap merek pengisi daya pintar mencoba untuk membedakan dirinya dalam hal keandalan, kecepatan, dan kompatibilitas. Membuat mereka mungkin melibatkan beberapa rekayasa terbalik.

Idealnya, pengisi daya 'pintar' tidak diperlukan dan semua perangkat akan menggunakan standar pengisian yang sama. Jika bukan host / pengisi daya, perangkat yang dikenali itu dapat:

• Isi daya dengan lambat
• Tidak dikenakan biaya sama sekali.
• Isi daya pada kecepatan spesifikasi USB standar (bukan BCS) (yaitu 5 unit daya untuk perangkat USB berdaya penuh, 1 untuk daya rendah, 5 untuk koneksi hanya daya yang tidak disebutkan). Ini biasanya lebih lambat dari maks.
• Mengisi daya pada kecepatan BCS, maka mereka bisa menarik sebanyak 5A dari DCP. Meskipun saya belum pernah melihat lebih dari 3A diiklankan untuk satu port. Ini mungkin masih lebih lambat dari apa yang bisa dilakukan dengan pengisi dayanya sendiri.

[...] apa yang terjadi dengan porta pintar ini untuk memungkinkan perangkat menarik lebih banyak arus? [...] apakah jalur data USB benar-benar digunakan untuk menegosiasikan beberapa pola pengisian daya?

Agak, tergantung spesifikasi pengisian yang Anda lihat. Saya percaya Apple menggunakan jalur data, tetapi tidak ada yang kompleks terjadi, mereka hanya diatur ke 3V untuk menunjukkan itu pengisi daya Apple.

DCP bukan satu-satunya port pengisian yang dijelaskan oleh BCS. Beberapa (beberapa) perangkat lebih memilih untuk meminta enumerasi (yaitu menggunakan jabat tangan pin data) dan memerlukan CDP (pengisian porta hilir) yang lebih kompleks karena memungkinkan transfer data selain pengisian daya. Saya kira port yang sepenuhnya sesuai BCS, yaitu dapat beralih antara CDP dan DCP, dapat dianggap 'pintar' bahkan jika tidak meniru teknologi lain.

Saya akan menebak bahwa untuk mengisi baterai secepat mungkin, Anda akan menarik arus sebanyak mungkin, [...] pasti mereka bisa menarik lebih banyak. Kenapa ini?.

Benar, tetapi hanya jika pengisi daya memenuhi spesifikasi mereka, kalau tidak saya rasa mereka tidak percaya. Atau mungkin ada hubungannya dengan persaingan dan paten, atau algoritma yang mengoptimalkan masa pakai baterai. Saya pikir bagaimana ini lebih menarik daripada mengapa.

Saya juga bukan EE. (Juga seorang insinyur perangkat lunak dengan pemahaman hobi elektronik yang banyak dibaca.)

Ini pemahaman saya bahwa konvensi adalah bahwa perangkat USB normal akan menarik maksimum 500 mA, tidak lebih. Terlebih lagi adalah pelanggaran terhadap standar USB.

Pengisi daya USB "Cerdas" termasuk logika solid state dengan chip komunikasi serial. Ketika Anda menyambungkan perangkat yang menginginkan arus lebih tinggi, itu mengirimkan permintaan ke catu daya mengatakan sesuatu dengan efek "Saya ingin 2 amp. Apakah itu OK?" Jika catu daya adalah dump port USB, itu tidak menjawab sama sekali, sehingga perangkat tidak berfungsi, atau hanya menarik 500 mA default (dan biaya jauh lebih lambat.

Saya memiliki ponsel Samsung S5 dan Note 10.1 (edisi 2014). Saya memiliki meter USB in-line yang mengukur tegangan, arus, dan maH. Ketika satu perangkat ini terhubung ke pengisi daya OEM output pengisi daya naik menjadi 5,5 volt, dan arus pengisian sekitar 1,6 amp. Jika saya mencoba ini menggunakan kutil dinding murah yang diberi nilai 1 amp, tegangannya tetap di 5,0 dan harganya 0,8 amp. Saya juga memiliki beberapa pengisi daya bertenaga baterai. Sebagian besar dari mereka, meskipun dinilai pada 2 amp atau lebih, hanya menyediakan 5,0 volt dan arus muatan tetap di sekitar 0,8 amp. Dari sini saya menyimpulkan bahwa protokol Samsung adalah untuk perangkat yang meminta pengisian cepat dengan salah satu cara yang disebutkan di atas, dan bahwa sinyal pengisi daya itu mampu melakukan itu dengan menaikkan outputnya menjadi 5,5 volt.