Методы питания в соответствии с новой спецификацией USB4. Фьонн Ширин (Fionn Sheerin), Microchip Technology
Введение
Благодаря принятию отраслью стандартов USB PD (Power Delivery) положение дел с зарядкой упростилась, и при должной реализации USB4 эта тенденция усилится. Обеспечение наилучшей зарядки в разных вариантах использования разъемов USB зависит от нескольких проектных решений. Основная цель разработки стандарта USB4 – удвоить скорость передачи данных по сравнению с USB 3.2, доведя ее до 40 Гбит/с, и обеспечить поддержку протокола Thunderbolt компании Intel. USB4 будет использовать исключительно USB Type-C – порт овальной формы, известный тем, что благодаря его симметричности разъем кабеля может подключаться в любом положении.
Хотя подключение кабеля станет проще, технология зарядки для портов USB4 теперь должна отвечать требованиям USB PD, что усложняет решение. Спецификации USB предыдущего поколения, использовавшие порт Type-C, допускали при необходимости поддержку PD, тогда как стандарт USB4 требует этого в обязательном порядке.
Требования к передаче питания согласно USB4
Спецификация Power Deliveryпредусматривает использование новых сообщений для обнаружения устройств и перехода в режим USB4, но схемы питания остались прежними. Для обнаружения и согласования питания и передаваемых данных на одной из линий канала конфигурации (CC) интерфейса USB Type-C для хоста и устройства устанавливается однопроводная 300-кГц шина (см. рис. 1).
Рис. 1. Форм-факторы разъема USB-кабеля
На другую линию CC возложена функция VCONN – выделенного источника питания для электронного маркера (идентификационная схема внутри USB-кабеля). Питание между USB-портами передается по отдельному ряду проводников внутри разъема с маркировкой VBUS (см. рис. 2).
Рис. 2. Изменение возможностей передачи питания по USB с течением времени.
При соединении двух PD-устройств они используют провод CC для обнаружения друг друга, определяют значения напряжения, мощности для каждого уровня напряжения и то, какое устройство должно осуществлять подачу энергии, а какое – ее потреблять.
Из истории передачи питания по USB
Чтобы оценить возможности зарядки посредством USB4, полезно иметь представление об истории передачи питания через USB-разъем (см. рис. 2). Изначально интерфейс USB (UniversalSerialBus – универсальная последовательная шина) предназначался для последовательной передачи по кабелю данных и тока до 100 мА. Технические характеристики USB 2.0 были ограничены на уровне 500 мА в линии VBUS, что отвечало требованиям по питанию базовой компьютерной периферии. Стандарты USB 3.
К тому времени многие производители сотовых телефонов перестали соблюдать спецификацию USB. Появился проприетарный общедоступный протокол зарядки, предусматривавший уровни напряжения на линиях D+ и D– (линии передачи данных USB) следующим образом: одна 2-В линия, а другая с напряжением 2,7 В обеспечивают мощность зарядки 10 Вт; при напряжении 2,7 В на обеих линиях передачи данных достигается мощность 12 Вт; 3,3 В на каждой линии обеспечат 20 Вт (что может привести к повреждению устройства при ошибочном подключении). В силу несовместимости этих методов результаты были непредсказуемы. Кроме того, линии передачи данных, используемые для определения уровня зарядки, больше не были доступны для передачи данных.
Эта проблема послужила причиной разработки первой спецификации PD, которая представляла собой универсальный стандарт для зарядки при переменном напряжении (более 5 В) с использованием традиционных 4-контактных USB-кабелей. Обеспечение совместимости с предшествующими системами потребовало добавления квитирующего сигнала к самой линии VBUS, но этот трудно реализуемый метод не получил широкого распространения. Вполне возможно, Форум по внедрению USB (USB-IF) предпочел бы, чтобы все поскорее забыли эту спецификацию. Такой подход больше не работает и не поддерживается.
На сегодняшний день существуют версии PD 2.0 и 3.0, а также спецификации программируемого источника питания (PPS). Они появились вместе с портом USB Type-C и дополнительными сигнальными соединениями.
Различия между версиями 2 и 3 заключаются, главным образом, в деталях связи по CC. Обе они совместимы с предыдущими реализациями USB (исключая PD, вер. 1), и их использование одинаково. Устройства согласовывают профили зарядки с шагом до 20 мВ (при реализации PPS). Устройства с поддержкой PD могут (но не обязаны) поддерживать передачу мощности до 100 Вт согласно спецификации (5 А при 20 В). Проприетарные схемы для альтернативных профилей зарядки с использованием линий передачи данных в явном виде запрещены, но USB Type-C также допускает упрощенную зарядку при токе 1,5 и 3 A и напряжении 5 В (что определяется резисторами на выводе CC, а не цифровым сигналом). Порты Type-C не требуют PD, но PD требует использования порта Type-C, что и реализуется с помощью USB4 (см. рис. 3).
Рис. 3. Любой USB-кабель может оснащаться интерфейсом USB 2.0 с передачей питания или без нее по кабелю Type-C. Интерфейсам USB3.x требуется кабель с дополнительными высокоскоростными дорожками, с подачей питания или без нее по кабелю Type-C.
USB4 имеется только при использовании соединения Type-C с поддержкой соединения Power Delivery. Поддержка Power Deliveryобеспечивается только при соединениях Type-C, но PD не требует передачи данных
USB4 использует PD-связь для включения режима USB4.
Хотя новые устройства будут отвечать требованиям новых усовершенствованных спецификаций, сложности зарядки по интерфейсу USB остаются из-за применения всех унаследованных стандартов на старых портах. При этом новый порт USB4 можно подключить к любому из этих портов. Способподключенияпоказанвтаблице.
Таблица 1. Передача питания по USB
| Режим | Информация о распознавании | Напряжение (ном.) | Ток (макс.) | Сведения об использовании |
| USB 2.0 | в сигнале данных | 5,0 В | 500 мА | все еще применяется в портах передачи данных |
USB 3. x | в сигнале данных | 5,0 В | 900 мА | все еще применяется в портах передачи данных |
| USB BC1.2 | D+/D−, до или без передачи данных | 5,0 В | 1,5 А | наилучшая возможная зарядка на устаревших портах |
| USB Type-C, ток 1,5 A | резистор на выводе CC | 5,0 В | 1,5 А | |
| USB Type-C, ток 3,0 A | резистор на выводе CC | 5,0 В | 3,0 А | |
| USB Power Delivery (PD) Revision 1 | 24-МГц кодированный сигнал между потребителем и источником по VBUS | до 20 В | до 5 А | устарел и стал недействительным |
| USB Power Delivery Revision 1 и 3 | 300-кГц цифровой сигнал по линии СС | до 20 В | до 5 А | включает программируемый источник питания (PPS) |
Варианты подключения
Попытка сохранить обратную совместимость с пятью предыдущими поколениями интерфейса усложняет возможные подключения для подачи питания.
У пользователей возникает вопрос о том, можно ли обеспечить питание устройств с помощью унаследованных USB-портов и кабелей. К счастью, если исключить из рассмотрения проприетарные спецификации, большую часть подобных случаев можно условно определить несколькими сценариями использования. Хотя зарядка осуществляется во всех случаях, не все устройства могут заряжаться быстро.
Существуют четыре основных варианта использования USB4.
1. Устаревший порт зарядки подключен к устройству USB4 Type-C с помощью переходного кабеля.
2. Зарядное устройство USB4 Type-C подключено к устаревшему порту с помощью переходного кабеля.
3. Порт USB4 Type-C подключен к порту, отличному от типа USB4 Type-C, с помощью кабеля CC, и в линии CC установлен резистивный делитель.
4. Два порта Type-C соединены кабелем CC и взаимодействуют по линии CC; один или оба из них могут быть устройствами USB4.
Что касается стандартов USB, 8-контактный разъем Apple Lightning передает те же сигналы, что и устаревший кабель USB 3.
x. Порты USB4, подключаемые с помощью переходных кабелей Type-C/Lightning, при обеспечении питания работают аналогично соединениям с использованием кабелей Type-C/Micro-B или Type-C/Type-A. Ниже приводится краткое описание каждого сценария зарядки.
Устаревший зарядный порт подключен к устройству USB4 с помощью переходного кабеля
Вполне возможно, что устройства с устаревшими портами Type-A и Type-B были созданы до появления спецификаций Type-C (см. рис. 1). В отношении этих портов не действовали и не будут действовать требования по реализации схемы быстрой зарядки. Порт USB 2.0 по умолчанию может подавать зарядный ток 500 мА, а порт USB 3.x – 900 мА. Хорошо то, что большинство новых USB-портов поддерживают BC1.2 и обеспечивают мощность 7,5 Вт. Какой бы тип переходного кабеля ни использовался, устройство USB4 или Type-C, подключенное к устаревшему порту зарядки, не может потреблять более 7,5 Вт, не нарушая требования спецификаций USB.
Зарядный порт USB4 подключен к устаревшему устройству с помощью переходного кабеля
В случаях, когда порт зарядки USB4 подключен к устаревшему устройству, возможно несколько вариантов их использования.
Порт USB4 может подавать ток до 1,5 A согласно стандартам BC1.2, а кабель обеспечивает передачу 7,5 Вт. Если USB4 не настроен на реализацию других вариантов питания, предусмотренных спецификацией BC1.2, порт USB4 должен по умолчанию установить ток 500 мА для передачи данных по USB 2.0 или 900 мА для передачи данных по USB 3.х. В результате зарядка через самый современный USB-порт при использовании переходных кабелей может оказаться очень медленной.
Порт USB4 подключен к порту, отличному от типа USB4 Type-C, с помощью резистивных делителей
Если источник или потребитель питания использует резистивные делители Type-C для извещений о допустимой мощности, ее передача определяется именно этим методом. Устройство USB4 не сможет обмениваться данными по линиям CC, но оно будет распознавать подключение, отношение источник/потребитель и ограничение по току (1,5 или 3 А) с помощью источников тока или резисторов, подключенных к линиям CC. Напряжение шины останется на уровне 5 В, а нагрузочное устройство сможет потреблять мощность до 7,5 или 15 Вт.
Поскольку устройство знает, что оно не находится в режиме PD, зарядка может оказаться медленной.
Порт Type-C подключен к порту Type-C с PD-коммуникацией
Возможно, это самое функциональное соединение USB4 с точки зрения передачи мощности. Два подключенных устройства определяют допустимую мощность питания до 20 В и 5 А. Частью этого согласования является определение ролей поставщика и потребителя электроэнергии. Имеется возможность подключить двух потребителей электроэнергии, которые не станут передавать электроэнергию (и это допустимый вариант использования для передачи данных между портативными устройствами).
Порты источника питания можно пометить символом батареи, благодаря чему пользователи узнают, какие порты на док-станции или ноутбуке предназначены для подачи питания. В этом случае подающий питание порт должен обеспечивать не менее 1,5 А при 5 В (7,5 Вт, как и BC1.2), чтобы использовать утвержденный логотип зарядки USB-IF. Более высокие уровни мощности не гарантируются даже для порта Type-C со значком зарядки.
Поскольку величина подаваемой мощности находится в диапазоне 7,5–100 Вт, пользователь будет знать, что происходит, если одно из устройств передаст эту информацию (известив об уровне мощности или о быстрой зарядке). Этот сценарий, безусловно, может разочаровать пользователя своей непредсказуемостью, но при хорошо отлаженных уведомлениях и с корректно функционирующими интерфейсами такой вариант имеет шансы стать идеальным решением.
Выводы
Использование USB4 повысит пропускную способность и расширит возможности USB-устройств, но USB 2.0 и USB3.x будут по-прежнему применяться в тех случаях, когда объемы передаваемых данных невелики. Варианты использования мощности будут множиться, но профессиональная разработка устройств и программного обеспечения улучшит пользовательский интерфейс.
| Режим | Информация о распознавании | Напряжение (ном. ) | Ток (макс.) | Сведения об использовании |
| USB 2.0 | в сигнале данных | 5,0 В | 500 мА | все еще применяется в портах передачи данных |
| USB 3.x | в сигнале данных | 5,0 В | 900 мА | все еще применяется в портах передачи данных |
| USB BC1.2 | D+/D−, до или без передачи данных | 5,0 В | 1,5 А | наилучшая возможная зарядка на устаревших портах |
| USB Type-C, ток 1,5 A | резистор на выводе CC | 5,0 В | 1,5 А | |
| USB Type-C, ток 3,0 A | резистор на выводе CC | 5,0 В | 3,0 А | |
| USB Power Delivery (PD) Revision 1 | 24-МГц кодированный сигнал между потребителем и источником по VBUS | до 20 В | до 5 А | устарел и стал недействительным |
| USB Power Delivery Revision 1 и 3 | 300-кГц цифровой сигнал по линии СС | до 20 В | до 5 А | включает программируемый источник питания (PPS) |
МСА829
MCA829_RU_EK7_60_2020
Питание USB портов Raspberry Pi – urpylka՚s blog!
USB порты Raspberry Pi имеют ограничение по току (в среднем от 1.
2 до 2А, точную информацию смотрите в спецификации к конкретной плате). При подключении сотовых модемов, Wi-Fi модулей и других потребителей требущих от 2х и более ампер требуется внешнее питание. Производитель предлагает использовать USB-HUB со внешним питанием. Однако это решение подойдет не для всех, например, при использовании Raspberry Pi на дроне (где масса и размеры критичны). Ниже изложу устройство ограничителя тока и обход ограничения по току.
Устройство
Рассмотрим платы Raspberry Pi модели B и B+ – платы со встроенным Ethernet и USB портами. Структурно все платы идентичны за исключением наличия Wi-Fi модуля у последних двух.
Raspberry Pi 4B не включена в обзор ввиду отличий по схеме.
На рисунке красным я выделил схему питания USB, а зеленым контроллер LAN9514 USB-HUB’а со встроенной сетевой картой. По сути все порты подключены к этому контроллеру, а он в свою очередь (по USB 2.0 шине) к основному вычислителю. Рассмотрим схему питания выделенную красным.
На официальном сайте (на странице продукта Raspberry Pi 3B+ по ссылке «schematic diagrams») представлена следующая схема:
Включите светлую тему сайта для корректного отображения схемы в PDF формате.
Но в ней нет части питания USB нагрузки. На схеме даже указано “Reduced”. Оказывается, что некоторые части схемы находятся под NDA (обсуждение здесь).
В обсуждении, я нашел ссылку на еще одну схему Raspberry Pi c чуть более подробной информацией (но такое ощущение, что она от самой первой Raspberry Pi).
Однако в интернете можно найти следующую схему (LAN9514 USB Current Limit):
Из схемы можно увидеть название микросхемы отвечающей за ограничение тока – AP2553W6, ниже представлен фрагмент структурной схемы из её даташита.
Исходя из того, что в случае перегрузки FLG (FAULT) соединяется с землёй, а на пин USB_OVC_N не содержит токоограничевающего резистора, можно сделать вывод, что он используется как сигнальный.
Для оповещения о перегрузки по току контроллера LAN9514 (для отключения шин данных).
Соотвествующее подтвержение можно найти во фрагменте из даташита LAN9514:
Полагаю аналогичное подключение и с
LAN7515на Raspberry Pi 3B+.
Модернизация схемы
Как видно из схемы выше: используя AP2553W6 програмно невозможно отключить ограничение по току. Решений два:
- Выпаять
AP2553W6и соединить IN — OUT пины перемычкой; - С вывода 5V (GPIO) кинуть провод на выход 5V в USB порту.
На сколько я смог понять из изучения плат: Raspberry Pi не содержит встроенных 5V стабилизаторов напряжения, а значит в случе перегрузки по току, выгореть может только дорожка или внешний источник питания. У последних защита обычно встроена, однако позаботиться о не возникновании КЗ, после удалении защиты, всё же стоит.
Блок питания— лучший способ получить питание от USB, когда он подключен, и от батареи, когда нет?
Задавать вопрос
спросил
Изменено 2 года, 6 месяцев назад
Просмотрено 584 раза
\$\начало группы\$
Я создаю схему, в которой используется перезаряжаемая батарея, а также имеется USB-порт, чтобы ее можно было подключить для зарядки батареи и питания системы.
Я использую повышающе-понижающий преобразователь для питания схемы напряжением 3,3 В. Я хочу, чтобы вход для преобразователя был напряжением батареи, когда он не подключен к USB, но когда он подключен, я хочу, чтобы вход был USB.
Один из способов сделать это, как я думал, заключался в подключении диода с малым падением напряжения последовательно с каждым источником питания. Думаю сработает, но все же какое-то падение напряжения, не самое эффективное.
Другим способом, который я придумал, был бы P-канальный FET, который отключает напряжение батареи, когда USB 5V находится на входе. Кажется, лучший метод.
Подойдет ли любое из этих решений? Спасибо
РЕДАКТИРОВАТЬ
Следуя данному совету, похоже, что это решение должно работать: *Обратите внимание, что символ P-канала Fet был перерисован с исходного изображения, так что исток находится сверху, а сток снизу
- источник питания
- мультиплексор
\$\конечная группа\$
1
\$\начало группы\$
Только что задал здесь похожий вопрос.
Одним из ответов было то, что вы предложили в своей первой схеме, но диоды должны быть идеальными, а напряжения должны быть одинаковыми. См. ответ пользователя 比尔盖子.
Решением, которое я выбрал, был готовый мультиплексор источника питания от Pololu:
https://www.pololu.com/product/2596
5 долларов США и делает все, что мне нужно, и может работать с разными напряжениями.
РЕДАКТИРОВАТЬ: Кроме того, вам понадобится понижающий/повышающий выходной сигнал схемы для поддержания постоянного напряжения (LiPo не будет ровно 5 В, поэтому без него ваше Vout будет прыгать). Я также обнаружил, что вам нужно много ограничения на Vout, потому что падение IR от переключения приведет к отключению и / или сбросу цепей.
\$\конечная группа\$
3
\$\начало группы\$
Первое решение может работать, только если V_BATT ниже 5В.
Недостатком является то, что диоды будут добавлять импеданс к источнику питания. Так что это нормально только для малых и очень малых токов. Используйте диоды Шоттки.
Второе решение намного лучше, так как оно останавливает ток от батареи до тех пор, пока напряжение питания выше V_BATT -1 В (см. точную спецификацию в техническом описании P-MOSFET). Например, если V_BAT равно 4,8 В, ток от батареи будет остановлен, если питание равно 4 В. Если оно упадет до 3В, то снимет ток с аккумулятора. R3 бесполезен. Встроенный защитный диод (в символе) должен быть нарисован в другом направлении. Для P-MOSFET исток — V_BATT, сток — VCC, а защитный диод — сток-исток. Это символ N-MOSFET, который работает наоборот.
\$\конечная группа\$
2
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
Сборка блока питания USB-C
Эндрю собрал простой блок питания, чтобы получить некоторый практический опыт работы с возможностями относительно новой технологии USB Power Delivery (USB-PD). USB-PD позволяет передавать через интерфейс напряжение до 20 В при токе до 5 А. Он делится подробностями своего дизайна, который дает представление о работе USB-PD.
Простой блок питания, описанный здесь, имеет скромные характеристики, но был разработан в первую очередь для того, чтобы я мог получить некоторый практический опыт работы с возможностями относительно новой технологии USB Power Delivery (USB-PD) [1]. В отличие от предыдущих поколений USB, которые ограничены 5 В при паре ампер, USB-PD позволяет передавать через интерфейс напряжение до 20 В при токе до 5 А. Чтобы это работало, источник питания и приемник (а в некоторых случаях даже кабель) должны согласовать и согласовать подаваемые напряжение и ток.
Здесь я должен отметить, что USB-C — это стандарт, описывающий разъем и его специфические возможности. USB-PD описывает протокол подачи питания, который работает через этот интерфейс.
Устройство в конце соединения USB-PD может быть источником, который обеспечивает питание, приемником, который потребляет энергию, или устройством с двойной ролью, которое может как получать, так и получать питание (но не одновременно). Порт USB-C на ноутбуке является хорошим примером порта питания с двойной ролью: он может быть приемником, когда ноутбук заряжается, или источником, когда подается питание на периферийные устройства, такие как USB-накопитель.
Соединение USB-C включает канал конфигурации (CC), который используется для определения того, когда устройство подключено, ориентации кабеля и для пассивного или активного установления «контракта» на подачу питания между источником и приемником ( и кабель в некоторых случаях, как мы увидим).
КАНАЛ КОНФИГУРАЦИИ
На рис.
1 показана конфигурация контактов разъема USB-C и две возможные ориентации разъема. Контакты VBUS, земли и классических данных D+ и D- симметричны и будут правильно подключены независимо от того, как вставлен штекер. Два сверхскоростных дуплексных канала и каналы использования боковой полосы будут меняться местами при переворачивании штекера, поэтому их необходимо отсортировать аппаратно, если они используются. Следовательно, мы должны иметь возможность определить, перевернута ли вилка или нет.
Кабель USB-C содержит только одну линию CC, которая будет подключена либо к контакту CC1, либо к контакту CC2, в зависимости от ориентации штекера. Другой контакт CC подключен к VCON для питания активного кабеля, если он используется.
— РЕКЛАМА—
—Реклама здесь—
При включении питания источник подтягивает оба контакта CC через резисторы Rp, а приемник подтягивает их через Rd, как показано на рис. 2 . Чтобы определить ориентацию подключения и кабеля, источник определяет, какой из его контактов CC находится в низком положении на Rd, а приемник определяет, какой из его контактов CC находится в верхнем положении на Rp.
Приемник может определить возможности источника, считывая значение Rp, представленное источником, или, точнее, измеряя ток источника. В таблице 1 показаны различные возможности.
В случае с кабелем с электрической маркировкой кабель тянет вниз другой контакт CC через резистор Ra от 800 Ом до 1,2 кОм. Источник должен обнаружить это, а затем включить питание 5V VCONN на соответствующем контакте CC для питания электроники в кабеле.
- Рисунок 1
- Рисунок 2
- Таблица 1
Гнездо USB-C показано в центре этого рисунка, а нормальное и перевернутое кабельные соединения показаны сверху и снизу. Контакты питания и устаревшие контакты данных симметричны и работают в любой ориентации. Протокол подачи питания USB-C определяет ориентацию кабеля, определяя, соединяется ли линия CC с контактом CC1 или CC2 на розетке.Рис. 2
При подключении источник тянет линию CCx вверх через Rp, а приемник тянет ее вниз через Rd.
Затем приемник может определить возможности источника 5 В на основе значения Rp, которое он представляет. Если используется кабель с электрической маркировкой, это определяется источником благодаря сопротивлению Ra. Затем источник включает питание VCONN для питания электроники кабеля. Таблица 1 Различные возможности измерения тока источника в зависимости от характеристик источника, обнаруженных приемником.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ КОНТРАКТА
При подключении источник USB-PD настраивается на подачу 5 В при уровне тока, указанном значением Rp, для совместимости с устаревшими USB-устройствами. Если это все, что нужно приемнику, то больше ничего не должно происходить, и говорят, что существует неявный контракт. Если требуется другое напряжение или ток, приемник и источник должны согласовать явный контракт.
Источник и приемник обмениваются данными по каналу конфигурации со скоростью 300 кбод, используя 32-битные пакеты с кодированием с двухфазной меткой (BMC) и защитой CRC.
Все сообщения начинаются с пакета «Начало пакета» (SOP), который указывает предполагаемый пункт назначения сообщения, и заканчиваются CRC и пакетом «Конец пакета» (EOP). Получатель должен проверить CRC и ответить отправителю, чтобы подтвердить успешный прием.
Сообщения можно отправлять по одному из трех возможных направлений; сообщения, начинающиеся с пакета SOP, предназначены для источника или приемника, сообщения, начинающиеся с пакета SOP’, предназначены для чипа в разъеме на конце кабеля с электрической маркировкой, а те, которые начинаются с пакета SOP’, предназначены для чип на конце кабеля с электрической маркировкой.
На рис. 3 показана передача данных между типичным источником и приемником. Первоначально источник объявляет о своих возможностях, передавая сообщения Source_Capability в выделенной строке и в строке ниже, пока приемник не подтвердит ответ с ответом Good_CRC. Структура сообщения Source_Capability показана на 9.0109 Рисунок 4 .
Этот источник представляет собой настенную розетку мощностью 45 Вт, способную подавать пять различных напряжений. Он может подавать 5 В, 9 В, 12 В или 15 В при токе до 3 А и 20 В при токе до 2,25 А. Сообщение включает пять объектов возможностей с индексами от 0 до 4 — по одному для каждой опции источника.
Чтобы запросить переключение источника на одну из этих возможностей, приемник выдает сообщение запроса, содержащее индекс одного из объявленных объектов возможностей. Источник отвечает сообщением Good_CRC, если он получил запрос, и сообщением Accept, если он согласен с запросом. Если приемник отвечает сообщением Good_CRC, источник начинает переключать свой вывод на желаемый уровень. Как только это будет сделано, источник выдает сообщение PS_Ready, которое приемник подтверждает, и транзакция завершается. На рисунке 3 видно, что вся эта транзакция занимает около 400 мс.
Кабели USB-C обычно рассчитаны только на 3 А, поэтому 60 Вт — это максимальная мощность, которую можно согласовать с пассивным кабелем (20 В при 3 А).
Чтобы использовать все возможности USB-C мощностью 100 Вт, необходимо использовать кабель с электрической маркировкой, рассчитанный на 5 А. На рис. 5 показана запись согласования кабеля с электрической маркировкой. Прежде чем объявить о своих возможностях, источник запрашивает кабель с сообщением DiscIdentity. Кабель отвечает сообщением DiscIdentity, показанным на рис. 6 . Здесь вы можете видеть, что кабель рекламирует ток VBUS 5А. Затем источник будет объявлять токи до 5 А, если он способен их подавать.
- Рисунок 3
- Рисунок 4
- Рисунок 5
- Рисунок 6
На этом снимке показано согласование типичного контракта на электроэнергию между источником и приемником. Источник объявляет о своих возможностях в индексах 4 и 12. Определенное напряжение и ток в индексе 23, и источник принимает этот запрос в индексе 30. Наконец, источник сигнализирует о том, что запрошенная мощность доступна в индексе 36.
И источник, и приемник подтверждают сообщения об успешном приеме через сообщения Good_CRC. Рисунок 4 На этом рисунке показана структура типичного сообщения Source_Capability для настенного блока питания мощностью 45 Вт. В этом случае имеется пять объектов питания с фиксированным напряжением, соответствующих 5 В, 9 В, 12 В и 15 В при 3 А и 20 В при 2,25 А. В сообщении запроса приемника указывается индекс объекта, соответствующий требуемому напряжению. Рисунок 5
На этом рисунке показана ситуация, когда используется кабель с электрической маркировкой. Источник запрашивает кабель с индексом 9, а кабель отвечает с индексом 16. Обратите внимание, что эти сообщения имеют префикс пакета SOP, указывающий, что они относятся к кабелю. Рисунок 6
Это структура пакета данных, передаваемого по кабелю с электрической маркировкой. Вы можете видеть, что этот кабель, произведенный Apple, не требует VCONN и что его ток составляет 5 А, поэтому потенциально можно было бы обеспечить полную мощность 100 Вт (20 В при 5 А) USB C PD, если бы источник был на это способен.
ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР
Я хотел создать простой проект, чтобы ознакомиться с аппаратным и программным обеспечением USB Type C Power Delivery. Я выбрал простой блок питания, так как мне пришло в голову, что я мог бы использовать способность USB-PD переключать входное напряжение в качестве грубого предварительного регулятора, ограничивая таким образом мощность, рассеиваемую в последовательном элементе. Мои характеристики были скромными. Я решил построить блок питания, который можно было бы использовать для питания простых проектов с микроконтроллерами, поэтому максимум 10 В и 1,0 А было бы достаточно. Я хотел иметь возможность измерять напряжение и ток с разрешением 10 мВ и 1 мА соответственно. Источник питания должен иметь реальное ограничение тока и, следовательно, должен иметь возможность регулировать выходное напряжение вплоть до нуля.
— РЕКЛАМА—
—Реклама здесь—
На блок-схеме на рис. 7 показана концепция.
Микросхема управления приемником USB-PD управляет интерфейсом канала конфигурации, включая кодирование и декодирование сообщений, генерацию CRC и обнаружение вложения. Далее следует простой линейный регулятор напряжения и тока, а также измерительная схема для считывания напряжения и тока. Все управляется недорогим микроконтроллером и простым пользовательским интерфейсом, основанным на стандартном сенсорном ЖК-дисплее.
Это блок-схема источника питания. Довольно простой аналоговый регулятор управляет выходным напряжением и током на основе уставок микроконтроллера. Выделенный чип управляет большей частью передачи питания по каналу конфигурации USB-C. Другая ИС используется для измерения подаваемого напряжения и тока для отображения на сенсорном экране.
КОНТРОЛЛЕР USB-PD SINK
Для своей разработки я выбрал контроллер STMicroelectronics STUSB4500. Его можно использовать в автономном режиме или с микроконтроллером, и он способен делать все необходимое для обнаружения подключения, установления связи с источником и согласования контракта на поставку энергии.
Аналоговая схема ( Рисунок 8 ) показывает, как я его подключил. Контакты CC1 и CC2 на разъеме USB-C подключены непосредственно к контактам STUSB4500 CC1 и CC2 соответственно. Пара диодов TVS (Z102) защищает эти линии от переходных процессов.
Это аналоговая часть цепи питания. Регулировка напряжения осуществляется с помощью классического стабилизатора LT3080. Два контура управления, один по напряжению и один по току, обеспечивают постоянное ограничение напряжения или тока в зависимости от уставок и нагрузки.
STUSB4500 подключен к микроконтроллеру через шину I2C и линию прерывания. Резисторы R101 и R102 позволяют контроллеру разряжать шину в ситуациях, когда происходит переключение напряжения с более высоких уровней на более низкие при отсутствии нагрузки. Конденсаторы С102 и С103 обеспечивают фильтрацию внутренних стабилизаторов напряжения микросхемы.
РЕГУЛЯТОР
Регулятор основан на почтенном LT3080 (Analog Devices).
Это регулятор на 1,1 А, который может регулировать до 0 В. Он имеет падение напряжения около 1,2 В. На вывод SET подается ток 10 мкА, и выход точно соответствует напряжению на этом выводе. Резистор R107 на 2,2 МОм означает, что выходной сигнал будет максимальным при отсутствии регулирования, обеспечиваемого операционными усилителями U3A и U4A.
Регулировка напряжения осуществляется с помощью усилителя ошибки U4A, где обратная связь по выходному напряжению на инвертирующем входе сравнивается с заданным значением напряжения на неинвертирующем входе. Обратная связь осуществляется через буфер операционного усилителя U6A и делитель, образованный резисторами R112 и R113. Этот делитель означает, что выходное напряжение полной шкалы 10 В будет отображаться как 2,5 В на операционном усилителе. Заданное напряжение получается через двухкаскадный RC-фильтр (R114, R115, C111, C112) с выхода ШИМ микроконтроллера. Рабочий цикл ШИМ изменяется для изменения уставки.
Регулировка тока осуществляется аналогичным образом с помощью усилителя ошибки U3A, где сигнал обратной связи по току сравнивается с сигналом уставки.
Токовый сигнал получается через инструментальный усилитель U5 с шунтирующего резистора 50 мОм. Инструментальный усилитель имеет фиксированный коэффициент усиления 50, так что полный ток 1 А преобразуется в 2,5 В на операционном усилителе. Текущая уставка получается из отфильтрованного ШИМ-сигнала так же, как и уставка напряжения.
Контуры управления током и напряжением подключаются к установочному выводу LT3080 через диоды. Пока ток ниже уставки, D102 будет смещен в обратном направлении, и выход будет контролироваться контуром напряжения.
Как только будет достигнут предел тока, токовая петля вступит во владение и снизит выходное напряжение, чтобы ограничить ток до установленного уровня. Q104 может блокировать оба контура и обнулять выход питания под управлением микроконтроллера.
ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
Измерение напряжения и тока осуществляется U7. Это АЦП INA233 (Texas Instruments), специально разработанный для измерения напряжения и тока в источниках питания.
Он включает в себя 16-разрядный АЦП и измеряет напряжение на шине с разрешением 1,25 мВ и напряжение шунта с разрешением 2,5 мкВ. Последнее соответствует разрешению по току 50 мкА в нашей установке.
U6 требуется для буферизации измерения выходного напряжения, так как комбинированная нагрузка U5, U7 и R113 плюс R112 вызовет погрешность тока почти 300 мкА. Это вносит некоторую погрешность, но имеет напряжение смещения до 4 мкВ, о котором мы можем позаботиться в программном обеспечении, и дрейф напряжения смещения 0,015 мкВ/°C, что подходит для наших целей.
Единственным другим примечательным моментом в аналоговой части этой схемы является цепь, состоящая из Q101, Q102 и Q103. Это формирует токовое зеркало Вильсона, чтобы обеспечить минимальную нагрузку около 1 мА на LT3080. Эта нагрузка необходима для поддержания работы регулятора, поскольку в противном случае LT3080 не имеет пути к земле для тока, необходимого для работы. Токовое зеркало привязано к шине -2,5 В, поэтому оно может продолжать обеспечивать 1 мА, даже если выход регулятора равен нулю.
МИКРОКОНТРОЛЛЕР И БЛОК ПИТАНИЯ
Схема цифровой части конструкции, показанная на рис. 9 , также очень проста. Микроконтроллер STM32F091 (STMicroelectronics) управляет всем, включая шину I2C для связи с контроллером STUSB4500 и INA233. Отдельная шина I 2 C используется для связи с энергонезависимой памятью FRAM, в которой хранится состояние устройства, например, предыдущие уставки и константы калибровки. Это могло быть подключено к другому я 2 Шина C, но у меня был лишний, так почему бы и нет?
Рисунок 9Всю тяжелую работу выполняет микроконтроллер STM32F901. Он управляет готовым сенсорным ЖК-дисплеем через два порта SPI и обменивается данными с USB-контроллером PD и АЦП через интерфейс I2C. Небольшая энергонезависимая память FRAM хранит данные калибровки. Блок питания обеспечивает стабильное напряжение 5 В и 3,3 В, даже несмотря на то, что напряжение на шине USB может быть от 5 В до 20 В.
Пользовательский интерфейс представляет собой недорогой готовый модуль с ЖК-дисплеем TFT 480 × 320 и сенсорным экраном. Я купил свой всего за несколько долларов у одного из известных китайских продавцов. Модуль дисплея взаимодействует с микроконтроллером через два порта SPI, один для дисплея и один для контроллера сенсорного экрана. Опять же, один порт SPI микроконтроллера работал бы для обоих, но поскольку у меня было два доступных, имело смысл использовать их.
Я также добавил звуковой сигнал для звуковой индикации перехода в режим ограничения тока.
Требования к источнику питания немного необычны, поскольку нам требуются регулируемые шины 5 В, 3,3 В и -2,5 В, а входное напряжение может варьироваться от 5 В до 20 В. Я выбрал повышающе-понижающий преобразователь TPS5506 (Texas Instruments), который может обеспечить регулируемое выходное напряжение 5 В при любом входном напряжении от 1,5 В до 40 В.
Напряжение 3,3 В поступает от шины 5 В через линейный стабилизатор U9.
Напряжение -2,5 В создается из источника питания 5 В регулируемым инвертором напряжения с переключаемыми конденсаторами, LTC1261L от Analog Devices (первоначально это была часть Linear Technology).
— РЕКЛАМА—
—Реклама здесь—
РЕАЛИЗАЦИЯ
Учитывая, что этот проект был доказательством концепции, дело не в этом. Проект состоит из небольшой двухслойной печатной платы со всеми компонентами, установленными на одной стороне
( Рисунок 10 ). LT3080 установлен на радиаторе, сделанном из небольшого отрезка алюминиевого уголка 25 мм × 12 мм × 1,2 мм. Дисплей монтируется над основной платой, как показано на рис. 11 и рис. 12 .
- Рисунок 10
- Рисунок 11
- Рисунок 12
Блок питания был построен на небольшой двусторонней печатной плате. Входные и выходные разъемы находятся слева, а разъем дисплея и микроконтроллер — справа.
LT3080 установлен на радиаторе, изготовленном из алюминиевого профиля размером 25 мм × 12 мм × 1,2 мм. Рисунок 11 При включении питания пользователю предоставляется этот экран. Тип источника и его возможности перечислены слева. В этом случае мы использовали источник USB-C мощностью 18 Вт, который может подавать 5 В, 9В и 12В. На основе этого блок питания рассчитывает максимальное напряжение и ток, которые он может обеспечить. Для запуска блока питания необходимо нажать кнопку пуска. Рисунок 12
Вот снимок блока питания в работе. Выходное и заданное напряжения отображаются вверху, а ток и ограничение тока отображаются непосредственно под ними. Кнопки справа позволяют настроить их по мере необходимости. Внизу находится входное напряжение и переключатель включения/выключения выхода. Зеленый квадрат указывает на то, что источник питания находится в режиме постоянного напряжения. Это становится красным в режиме постоянного тока.
Программное обеспечение реализовано на C и C++ с использованием операционной системы реального времени FreeRTOS.
Существует три потока: один для управления задачами управления USB-PD, один для управления пользовательским интерфейсом и один для общего управления питанием. Для простоты потоки совместно используют один набор данных, доступ к которым регулируется мьютексом, что позволяет избежать конфликтов.
Поток USB-PD сначала проверяет, может ли он обмениваться данными с STUSB4500, читая один из его идентификационных регистров. Затем поток переходит в спящий режим, ожидая события предупреждения, сигнализирующего о том, что STUSB4500 получил сообщение от источника. Он обрабатывает любое такое сообщение, а затем возвращается в спящий режим, пока не появится следующее.
Поток пользовательского интерфейса инициализирует ЖК-дисплей и сенсорный экран, а также инициирует чтение возможностей источника. Это делается путем запроса STUSB4500 на инициирование явного контракта 5V. Поток USB-PD отслеживает последовательность сообщений и фиксирует данные о возможностях источника, которые затем отображаются на экране.
Эти данные используются для определения максимального выходного напряжения, которое может обеспечить источник питания, поскольку выходное напряжение ограничено на 1,5 В меньше максимального значения, которое может обеспечить источник, или на 10 В.
Затем поток пользовательского интерфейса проверяет пользовательский интерфейс каждые 50 мс, чтобы определить, был ли нажат экран, и обновить отображение, если это необходимо.
Пользовательский интерфейс немного сложен; однако основная идея проста. События (прикосновения к экрану или тики таймера) передаются каждому виджету (кнопке, метке, дисплею и т. д.) на текущем экране для обработки. Если событие относится к виджету, состояние виджета обновляется.
Большинство виджетов имеют дополнительные функции обратного вызова, которые используются для реализации кода приложения. Как только все виджеты обработали событие, виджеты, состояние которых изменилось, перерисовываются. Таким образом, перерисовываются только области экрана, которые необходимо изменить.
Это важно при медленном интерфейсе, таком как SPI.
Наконец, запускается задача контроллера. Это инициализирует остальные периферийные устройства и считывает данные конфигурации из FRAM. Затем он входит в цикл, который повторяется каждые 500 мс. Схема управления очень проста. Считываются выходное напряжение и ток, а также напряжение на шине USB, и применяются соответствующие коэффициенты калибровки. Затем программное обеспечение проверяет, нужно ли изменить напряжение на шине, чтобы поддерживать минимальный запас в 1,5 В между выходным напряжением и напряжением на шине. Он также определяет, находится ли питание в режиме постоянного напряжения или тока, путем сравнения уставки напряжения и измеренного значения. Наконец, уставки обновляются.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
При включении устройство проверяет подачу питания от источника USB-C и составляет их список. Исходя из этого, он определяет максимальное напряжение и ток, которые он может обеспечить (до 10 В и 1 А).
Источник должен обеспечивать не менее 12 В для выхода 10 В. Если источник не может обеспечить это, выходное напряжение ограничивается на 1,5 В меньше максимального значения, которое может обеспечить источник. На рис. 11 показан снимок этого экрана, когда устройство питается от настенной розетки USB-C мощностью 18 Вт. Нажатие кнопки запуска переключает на главный экран.
На рис. 12 показано, как организован этот экран. Вверху находится дисплей выходного напряжения и уставки, а также пара кнопок для регулировки уставки. Ниже это такое же расположение для тока. Внизу находится дисплей измеренного напряжения на шине USB, индикатор того, находится ли питание в режиме постоянного напряжения или тока, а также кнопка включения/выключения выхода.
Вот и все. В качестве источника питания он в лучшем случае средний; тем не менее, этот проект достиг своей цели, так как я многое узнал о USB-C Power Delivery. Одной из самых больших проблем при запуске этого процесса было отсутствие документации по внутренним регистрам в STUSB4500 и их функциям.
Мне пришлось собрать воедино большую часть этой информации, реконструировав код, который они предоставляют в Интернете. Тем не менее, теперь я многому научился и чувствую себя готовым взяться за любой проект USB-C Power Delivery.
CC
Дополнительные материалы автора доступны по адресу:
www.circuitcellar.com/article-materials
Ссылки [1], отмеченные в статье, можно найти там.
РЕСУРСЫ
STMicroelectronics | www.st.com/content/st_com/en.html
Texas Instruments | www.ti.com
Analog Devices | www.analog.com/en/index.html
Суммарная фаза | www.totalphase.com
ПУБЛИКУЕТСЯ В ЖУРНАЛЕ CIRCUIT CELLAR MAGAZINE • МАЙ 2022 г. № 382 – Загрузить выпуск 9 в формате PDF0003
| Будьте в курсе наших БЕСПЛАТНЫХ еженедельных информационных бюллетеней! |
