Come funzionano le porte di ricarica USB e di ricarica "intelligenti" (ad es. Anker's PowerIQ)?

Ingegnere del software con una conoscenza da hobbista di EE qui.

Ho notato recentemente molte affermazioni da parte dei produttori di batterie USB che le loro porte sono "intelligenti" e "identificano il dispositivo" per "fornire la massima corrente per il dispositivo". Uno sguardo superficiale alla questione sembra implicare che questo non è un linguaggio di marketing completo, e in realtà sta succedendo qualcosa di più complicato.

Non capendo la chimica sottile delle batterie agli ioni di litio o la natura dei controller di carica, immagino che per caricare una batteria il più rapidamente possibile, assorbiresti quanta più corrente possibile, limitandola solo alle specifiche della batteria. Questo non deve essere il caso, poiché è documentato che i dispositivi limitano la loro ricarica a 1A in alcuni casi, quando sicuramente potrebbero disegnare di più. Perchè è questo?

Se l'assorbimento di corrente è così controllato, cosa sta succedendo con queste porte intelligenti per consentire al dispositivo di assorbire più corrente? Dalla pagina di un prodotto per una batteria Anker, affermano che le loro porte identificano il dispositivo e "parlano il suo linguaggio di ricarica unico" (quel fraseggio mi fa venire la nausea). Forse non dovrei reagire così duramente a quel fraseggio: le linee dati USB sono effettivamente utilizzate per negoziare un certo schema di ricarica?

Grazie!

Esistono due aggiunte alle specifiche USB che consentono una corrente superiore a 500 mA.

specifica di ricarica della batteria USB 1.1 . Permette fino a 1,3A.

specifica di ricarica della batteria USB 1.2 (e questa ). Permette fino a 5A.

Sommario:

• USB 2.0 - BCS 1.1: corrente 1.3A, nessuna trasmissione dati.
• USB 2.0 - BCS 1.2: corrente 5A con dati.
• USB 3.0 - BCS 1.2: gestione corrente 5A ma corrente limitata a 1,5A, nessun dato.

Altro può essere trovato qui

Modifica: a volte il produttore non segue lo standard e utilizza qualcosa di proprietario. A volte il "qualcosa di proprietario" sarebbe semplicemente lasciare che i pin di dati sospesi nell'aria o ad una certa tensione e quindi fornire una quantità arbitraria di corrente ...

In pratica, i caricabatterie "intelligenti" utilizzano un chip speciale chiamato controller dedicato della porta di ricarica . Un controller DCP può agire come caricabatterie diversi e sceglie la modalità che sembra funzionare meglio.

Questo perché i normali caricabatterie da parete ("stupidi") utilizzano le connessioni dati USB per segnalare in modo statico e analogico ciò di cui sono capaci. I caricabatterie "intelligenti" possono fare lo stesso, ma in modo meno statico: osservano il comportamento del dispositivo di ricarica e ne deducono l'impostazione ideale, che possono quindi emulare.

Esempi di chip del controller della porta di ricarica dedicati sono il "Controller porta di ricarica USB" serie Texas Instruments TPS2510 , il "Maxim USB 1414 " Emulatore adattatore / identificazione caricatore host USB della serie MAX e Norelsys NS3601 "Controller porta di ricarica rapida USB".

Un'immagine dal foglio dati TPS2513a (copyright TI):

Allo stesso modo, il MAX14600 (copyright massimo):

Puoi vedere che le linee dati USB ('DP' e 'DM') hanno diverse risorse configurabili su di esse, e queste sono controllate da una logica 'intelligente'.

Qualche spiegazione

Diversi dispositivi caricabili richiedono diversi tipi di caricabatterie. Ciò è in parte dovuto al fatto che le specifiche USB non specificavano inizialmente il comportamento di "ricarica" ​​e in parte perché alcuni produttori desiderano che i propri dispositivi si ricarichino al più presto con le proprie prese a muro. Inoltre, un dispositivo potrebbe non assorbire più corrente di quanto si supponga possa essere consentito , per evitare il rischio di surriscaldamento di una fonte di alimentazione progettata in modo errato.

Nota: la spiegazione di seguito ignora le tecnologie USB3, USB Power Delivery e Qualcomm Quick Charge, che complicano ulteriormente le cose (ad esempio, supportano l'aumento della tensione superiore a 5 Volt).

Si possono distinguere questi tipi di prese USB:

• Porta USB normale (come su un PC). Questo si chiama SDP , Standard Downstream Port. Un SDP fornisce fino a 100 mA e può aumentare tale limite fino a 500 mA se il dispositivo collegato lo richiede correttamente e l'host USB accetta che sia possibile e consentito.
  • In pratica, quasi tutti gli SDP forniscono 500mA anche senza una comunicazione adeguata. I gadget USB come piccoli ventilatori e scaldatazze non comunicano, ma richiedono ancora più di 100 mA.
• Porta USB con capacità di comunicazione e funzionalità di ricarica aggiuntiva. Questo si chiama CDP : Charging Downstream Port. Questo può fornire fino a 1500mA. I dispositivi a valle non comunicanti possono far sapere questo al caricabatterie collegando le linee dati USB D + e D- con una resistenza o con un corto.
• Lo standard industriale cinese delle telecomunicazioni YD / T 1591-2009 precede e ispira le specifiche CDP. Specifica un corto tra D + e D-.
• Porta USB senza capacità di comunicazione (come in una presa a muro). Questo è chiamato DCP : porta di ricarica dedicata. Fondamentalmente è un CDP senza i mezzi per parlare con l'host USB (PC).
• Porte DCP che non seguono le specifiche DCP (da USB Battery Charging sepcification versione 1.2). Queste prese a muro hanno diverse configurazioni di resistori collegati alle linee dati, con conseguenti tensioni fisse che possono essere lette dal dispositivo di ricarica. L'elenco delle tensioni "riconoscibili" è molto lungo, questo è solo un estratto:
  • Apple 0,5 A (D + a 2 V, D- @ 2 V)
  • Apple 1A (2 V / -2,8 V)
  • Apple 2.1A (2.7V / 2.0V)
  • Apple 2.4 A (2.7V / 2.0V)
  • Sony (3,3 V / 3,3 V)
  • Molti (incl. Samsung) 2A (1,2 V / 1,2 V)

I caricabatterie "intelligenti", ovvero i chip del controller DCP al loro interno, possono emulare una porta DCP standard con valori di resistenza variabili e possono anche emulare diverse tensioni DCP non standard.

La salsa segreta

I produttori di chip non descrivono realmente come funziona la loro logica di "rilevamento", ma l'unica opzione che hanno è monitorare ciò che il dispositivo di ricarica sta facendo sulle linee D + e D e guardare la corrente che viene disegnata.

Questo senza dubbio richiede molte ricerche di prove ed errori, e l'algoritmo è probabilmente tenuto come un segreto strettamente custodito.

Una tecnica che potrebbe essere utilizzata è quella di scorrere gli stati emulati e notare la quantità di corrente che viene assorbita. Lo stato con l'assorbimento di corrente più alto è quindi il "migliore" e rimane attivo.

Nota a margine

Non essere confuso dal marketing dei produttori di caricabatterie che afferma che un caricabatterie " fornisce la massima corrente per il dispositivo". Una presa USB è una fonte di tensione ; controlla solo la tensione ed è il dispositivo di ricarica che "decide" quanta corrente "assorbe" durante la ricarica.

Quindi non è possibile che un caricatore possa "forzare" una corrente in un dispositivo che non la accetta, almeno non rimanendo al di sotto della massima sicurezza di 5,1 Volt.

L'unica cosa che sta succedendo è qualche trucco per far credere al dispositivo di ricarica che è collegato al caricabatterie più capace, più adatto e più compatibile che possa immaginare.

Ulteriori collegamenti

• 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

Anch'io sono solo un ingegnere del software, ma parte del mio lavoro prevede la lettura dei documenti sulle specifiche USB. Ecco quello che so:

Esistono due protocolli ufficiali per l'alimentazione tramite USB. Il primo, BCD, è stato rilasciato nel 2007 e aggiornato nel 2010. Utilizza vari trucchi per la linea dati per identificare la potenza che il dispositivo a valle può sprofondare. Non deve essere una stretta di mano USB completa. Ad esempio, un caricabatterie dedicato si identifica come tale semplicemente accorciando D + a D-. Ciò indica che il dispositivo a valle può sprofondare fino alla corrente di carica massima, che credo sia di 1,5 A. Puoi leggere le specifiche BCD qui .

Il protocollo più recente è PD (Power Delivery), che viene distribuito come parte delle specifiche USB principali . PD è davvero interessante. Consente lo scambio di informazioni di potenza sulle linee di tensione anziché sulle linee dati e può supportare fino a 100 W (20 V / 5 A). Tuttavia, le applicazioni ad alta potenza richiedono che il cavo sia marcato elettronicamente per indicare che il cablaggio può supportare alta tensione / corrente elevata senza fusione. :-) Ci sono diversi "contrassegni" definiti nelle specifiche, ma sembrano tutti implicare la caduta di un resistore o di un condensatore tra due pin nella spina.

Detto questo, la probabilità che qualsiasi cavo o caricabatterie implementi correttamente l'intera specifica sembra piuttosto bassa. Puoi seguire le gesta di Benson Leung su Amazon.com per vedere quanti modi i produttori hanno trovato per rovinare tutto.

Non lo so per certo, ma penso sia molto probabile che etichette di marketing come "PowerIQ" stiano indicando caricabatterie che cercano di raggiungere la compatibilità con il maggior numero possibile di dispositivi e cavi, compresi quelli che sono irrimediabilmente fuori standard. Sfortunatamente, non c'è un buon modo per dire quanto un caricabatterie particolare si avvicini a quell'ideale.

(vecchio argomento, ma nuove informazioni basate sulle ultime specifiche USB.)

Come già accennato, le nuove specifiche USB consentono una tensione di carica superiore a 5 V, se il dispositivo lo richiede.

Sotto l'estensione "USB Power Delivery" (PD) (USB PD rev. 3.0, versione 1.0a ora), è possibile fornire al dispositivo collegato fino a 5 A a 5 V, 9 V, 15 V o 20 V, con un massimo di 100W di provenienza. Esistono molte regole che il "dispositivo richiedente" deve seguire in questi casi.

Questo sarebbe in genere per computer portatili o altri dispositivi con un numero di celle e / o tensioni di funzionamento più elevati. I cavi devono inoltre essere progettati e specificati per gestire queste condizioni.

(sì, sono un EE ... da oltre 35 anni)

Condivido la tua nausea in quella lingua, tuttavia, sono d'accordo sul fatto che probabilmente c'è qualche verità dietro questa faccenda. I dispositivi USB si dichiarano in base al fornitore, al prodotto e agli ID dispositivo in modo che l'host possa riconoscere ciò che viene collegato e trattarlo di conseguenza (es: trovare il driver appropriato). Inoltre, non sono un esperto di batterie, ma sono stato esposto abbastanza per sapere che le batterie agli ioni di litio hanno alcuni strani requisiti di ricarica per evitare il surriscaldamento. Non è irragionevole pensare che un prodotto USB possa negoziare un modello di ricarica più ottimale come descritto qui dato che si interfaccia con un driver o un prodotto su misura dall'altra parte.

Un esempio di un modello di carica agli ioni di litio che ho visto è la corrente costante fino a quando la tensione della batteria raggiunge 4,0 V, seguita da una tensione costante fino a quando la batteria raggiunge 4,2 V. Forse batterie diverse hanno schemi diversi (di nuovo, non sono un esperto di batterie).

[...] in realtà sta succedendo qualcosa di più complicato.

Sì. In breve, le porte intelligenti usano hack di meccanismi di ricarica non standardizzati per ottenere correnti ottimali. L'ipotesi comune che tutti i dispositivi USB basino i loro protocolli di ricarica esclusivamente sulle specifiche USB o sull'estensione BCS è falsa.

Molti caricabatterie USB hanno solo porte pin di dati mobili "stupide" descritte da BCS, dette DCP, porte di ricarica dedicate.

Una porta intelligente può agire come una porta muta (DCP) o può emulare diverse porte proprietarie nel caso in cui le specifiche USB / BC non siano supportate o ottimali. Questa emulazione può rompersi in alcuni scenari e causare problemi, motivo per cui ogni marca di caricabatterie intelligente cerca di distinguersi in termini di affidabilità, velocità e compatibilità. La loro realizzazione può comportare un po 'di ingegneria inversa.

Idealmente, i caricabatterie "intelligenti" non sarebbero necessari e tutti i dispositivi utilizzerebbero lo stesso standard di ricarica. Se non è un host / caricabatterie riconosce che un dispositivo può:

• Carica lentamente
• Non caricare affatto.
• Caricare alla velocità delle specifiche USB standard (non BCS) (ovvero 5 unità di alimentazione per un dispositivo USB a piena potenza, 1 per bassa potenza, 5 per una connessione di sola alimentazione non elencata). Questo è normalmente più lento del suo max.
• Caricare alla velocità BCS, quindi potrebbero estrarre fino a 5A da un DCP. Anche se non ho mai visto più di 3A pubblicizzati per una singola porta. Questo potrebbe essere ancora più lento di quello che potrebbe fare con il suo caricatore.

[...] cosa sta succedendo con queste porte intelligenti per consentire al dispositivo di assorbire più corrente? [...] le linee dati USB sono effettivamente utilizzate per negoziare un modello di ricarica?

Kinda, dipende da quali specifiche di ricarica stai guardando. Credo che Apple utilizzi le linee dati, ma non succede nulla di complesso, sono semplicemente impostate su 3V per indicare che è un caricabatterie Apple.

Il DCP non è l'unica porta di ricarica descritta dal BCS. Alcuni (pochi) dispositivi preferiscono richiedere l'enumerazione (ovvero l'utilizzo dell'handshake dei pin di dati) e quindi necessitano di un CDP (caricamento della porta a valle) che è più complesso perché consente il trasferimento dei dati oltre alla ricarica. Suppongo che una porta completamente compatibile con BCS, cioè che possa passare da CDP a DCP, possa essere considerata "intelligente" anche se non emula altre tecnologie.

Immagino che per caricare una batteria il più rapidamente possibile, assorbiresti quanta più corrente possibile, [...] sicuramente potrebbero assorbire di più. Perchè è questo?.

Corretto, ma solo se il caricabatterie soddisfa le loro specifiche, altrimenti suppongo che non si fidino. O forse ha a che fare con la concorrenza e i brevetti o algoritmi che ottimizzano la durata della batteria. Penso che il come sia più interessante del perché però.

Non sono neanche un EE. (Anche un ingegnere informatico con una buona conoscenza della conoscenza elettronica dell'hobbista.)

Comprendo che la convenzione prevede che i normali dispositivi USB assorbiranno un massimo di 500 mA, non di più. Nulla di più è una violazione dello standard USB.

I caricabatterie USB "intelligenti" includono una logica a stato solido con chip di comunicazione seriale. Quando si collega un dispositivo che desidera una corrente più elevata, invia una query all'alimentatore dicendo qualcosa sull'effetto di "Voglio 2 A. Va bene?" Se l'alimentatore è una porta USB di dump, non risponde affatto, quindi il dispositivo non funziona o assorbe solo i 500 mA predefiniti (e si carica molto più lentamente.

Ho un telefono Samsung S5 e un Note 10.1 (edizione 2014). Ho un misuratore USB in linea che misura la tensione, la corrente e la maH. Quando uno di questi dispositivi è collegato al caricatore OEM, l'uscita del caricatore sale a 5,5 volt e la corrente di carica è di circa 1,6 amp. Se provo questo usando una verruca da parete economica con 1 amp, la tensione rimane a 5,0 e si carica a 0,8 amp. Ho anche diversi caricabatterie a batteria. La maggior parte di essi, sebbene abbia una potenza nominale di 2 o più, fornisce solo 5,0 volt e la corrente di carica rimane di circa 0,8 amp. Da ciò concludo che il protocollo Samsung prevede che i dispositivi richiedano una ricarica rapida con uno dei mezzi sopra indicati e che il caricabatterie segnali che è in grado di farlo aumentando la sua potenza a 5,5 volt.