Come posso progettare un alimentatore da 2A o più per i miei dispositivi USB di consumo?

Comprendo che molti dei miei dispositivi di consumo caricati da porte USB possono caricare a velocità superiori a 0,5 A. Tuttavia, nei test, ho scoperto che non consumano più di questo.

Configurazione di prova

• Ho un alimentatore che emette tra 0 e 30 volt e 0-20 amp.
• Ho impostato la tensione su 5 volt, quindi ho collegato correttamente una USB femmina ai fili.
• Quando collego un Samsung Galaxy S4 Mini, si spinge circa 0,44 amp. È lo stesso con un Samsung Galaxy Tab Pro.
• Tuttavia, quando collego un iPad Air con un cavo lampo ufficiale, si sposta solo intorno a 0,11 amp.
• Inoltre, ho provato a collegare uno smartwatch ZGPAX S28 ed era ancora circa 0,44-0,45 amp.

L'alimentatore è più che in grado di emettere un massimo di 2,1 A, quindi perché non farlo almeno con i tablet?

Cosa devo fare nella mia configurazione di prova per convincere i dispositivi a consumare la loro massima corrente di carica?

Il motivo per cui i tuoi dispositivi Apple / Samsung non assorbono più corrente è semplice. È perché è in corso una comunicazione dati aggiuntiva tra il dispositivo Apple / Samsung e i relativi alimentatori dedicati. Ciò consente a entrambi i dispositivi di riconoscersi reciprocamente e di concordare una corrente più elevata da utilizzare. Il caricabatterie imposta determinate tensioni sulle linee dati USB e questo viene riconosciuto dal telefono o dal tablet.

Il tuo alimentatore da 20 A non fornisce queste tensioni sulle linee della data, quindi non "parla" con il tuo dispositivo Apple / Samsung, quindi presuppone che sia un normale caricabatterie "stupido" e non assorba più corrente di quanto consentito dallo standard USB che di solito è solo 100 o 500 mA

Per caricare un dispositivo Apple, inserisci le tensioni sulle linee dati:

corrente desiderata: 2.000 mA D-: 2,0 V D +: 2,75 V.

Inoltre, a seconda della carica della batteria, anche la corrente di carica è limitata. Sarà massimo solo quando la batteria è carica dal 30 al 70% (questi numeri sono solo a mio avviso). La carica con una corrente elevata fa male alla batteria quando è quasi scarica o quasi piena.

fonti:

Adafruit: i misteri della ricarica dei dispositivi Apple

Voltaic: scelta delle tensioni del pin USB

Ecco un articolo più completo che elenca gli schemi di identificazione D + / D- proprietari di resistori noti noti per caricabatterie ad alta potenza. L'essenza è:

2,0 V / 2,0 V - bassa potenza (500 mA)

2,0 V / 2,7 V - Apple iPhone (1000 mA / 5 watt)

2,7 V / 2,0 V - Apple iPad (2100 mA / 10 watt)

2,7 V / 2,7 V - 12 watt (2400 mA, eventualmente utilizzato da Blackberry)

D + / D- messi insieme in cortocircuito - USB-IF BC 1.2 standard

1,2 V / 1,2 V - Dispositivi Samsung

I valori Samsung coincidono con quanto indicato su questo schema ^{[sorgente originale]} tramite divisore di resistore 10k / 33k per caricabatterie per tablet 2A Galaxy.

Come ho detto nei miei altri commenti, ci sono anche chip standard che implementano alcuni di questi, ad esempio MAX14667 , TPS2513 , USB2534 o CYUSB3324 di Microchip . La scheda tecnica di quest'ultimo fornisce anche alcuni dettagli in più sui dispositivi Samsung:

I dispositivi Samsung seguono più metodi di ricarica. Alcuni dispositivi Samsung (Samsung Galaxy Tablets) utilizzano un metodo di ricarica proprietario in cui i pin D + e D sono polarizzati con lo stesso potenziale (~ 1,2 V). I dispositivi Samsung Galaxy serie S (S3, S4) seguono lo standard di ricarica USB-IF BC v1.2 per le modalità di funzionamento DCP, CDP e SDP.

Il BC 1.2 IF-USB ha questi requisiti per la modalità DCP:

• Le linee dati D + e D– sono cortocircuitate insieme con un'impedenza massima in serie di 200 Ω.

• Non interrompere l'alimentazione finché la tensione non scende al di sotto di 2 V o la corrente non supera 1,5 A.

• Assorbimento di corrente massimo assoluto consentito ma non richiesto è il limite del connettore USB 2.0, fino a 5A

Inoltre, la nota Cypress afferma che 2.7V / 2.7V -> 2.4A è [anche] usato da Apple. La discussione sui forum TI su cui sono intervenuti i dipendenti TI (per il loro TPS2513A) indica lo stesso. Un dipendente di TI ha detto :

A partire da iPad3, viene utilizzata la batteria da 42 Wh, i lunghi tempi di ricarica iniziano a diventare un problema. Confronta il tempo di ricarica, dalla batteria dallo 0% al 100%, il caricabatterie da 2,1 A richiede 6 ore, il caricatore da 2,4 A richiede 5 ore e 40 minuti. Quindi 20 minuti più veloce, ma non molto.

Riteniamo che il motivo principale per cui il caricabatterie Apple versione 2.4A sia la migliore esperienza utente durante la ricarica e la riproduzione allo stesso tempo. Quando gioco a videogiochi di alta qualità, come Infinity II e si carica contemporaneamente, l'aumento percentuale della batteria del mio iPad3 è molto lento, ad esempio 30 minuti dopo, aumenta solo il 2 percento che mi fa impazzire.

Durante l'utilizzo del caricabatterie da 2,4 A, lo stato della batteria aumenta più velocemente, almeno mi sento normale, ok con esso.

L'alimentatore è più che in grado di emettere un massimo di 2,1 A, quindi perché non farlo almeno con i tablet?

Lo standard USB non consente di prelevare più di 500 mA da una porta USB 1 standard. Fino a quando il dispositivo non stabilisce la comunicazione con il dispositivo host USB, non ha modo di sapere quanta corrente è disponibile.

Lo standard USB in realtà richiede che i dispositivi non assorbano più di 100 mA prima di comunicare con l'host e richiedere più energia. Questo è importante perché un hub USB non alimentato standard consumerà 500 mA - 100 mA per sé e 100 mA per ciascuna delle sue porte. Ciò significa che un hub non alimentato non può e non deve tentare di fornire 500 mA a un dispositivo USB.

Lo standard è stato progettato in questo modo per supportare una varietà di utilizzo.

Ovviamente solo Apple segue lo standard e consuma solo 100mA prima di richiedere più energia.

La realtà è che poche porte USB non sono in grado di fornire 500mA senza essere chieste. Molti non si preoccupano nemmeno di monitorare il consumo corrente e spegnere i dispositivi USB non conformi. È quasi sempre sicuro prelevare 500 mA da una porta USB senza richiedere la massima potenza alla porta host.

Le più recenti specifiche USB consentono porte di alimentazione più elevate. Ancora una volta, tuttavia, questo deve essere richiesto per essere conforme alle specifiche.

I caricabatterie USB non sono in genere intelligenti e non implementano una porta host USB completa. Usano alcune scorciatoie - generalmente usando resistori sulle linee D + e D- per segnalare al dispositivo USB che il caricabatterie è in grado di alimentare più senza una richiesta ufficiale.

Inoltre, alcuni dispositivi, come la linea Apple iOS, monitoreranno anche la tensione fornita e ridimensioneranno il consumo di corrente in base alla caduta di tensione. Ad esempio, se un caricabatterie segnala che può fornire 2A, ma la tensione non rimane a 5V, il dispositivo iOS consumerà meno della corrente massima. Non si carica al di sotto di 4,5 V, né al di sopra di 5,5 V. Quindi non solo il caricatore deve presentare i segnali corretti per indicare che è disponibile la piena corrente, ma deve anche mantenere una buona regolazione al massimo assorbimento di corrente.

Tieni presente che questa è una funzione di sicurezza. Non solo il dispositivo di ricarica deve essere in grado di fornire corrente, ma il cavo USB utilizzato deve essere in grado di trasportarlo. Potrebbe non sembrare molta corrente, ma ci sono molti cavi USB sottili molto economici sul mercato che si surriscaldano sensibilmente con 2A che fluiscono attraverso i loro conduttori sottodimensionati. Mettilo sotto un cuscino infiammabile e lascia che il calore si accumuli, e potresti trovare più dell'isolamento fuso.

Apple non verifica solo il caricabatterie, ma anche il cavo (utilizzando i loro chip proprietari all'interno del connettore del cavo) in modo da evitare la responsabilità per eventuali perdite associate a caricabatterie e cablaggi pericolosi.

Fintanto che stai usando il cavo fornito con il dispositivo, tuttavia, non dovresti avere problemi con questo aspetto e puoi concentrarti sulla segnalazione del caricatore.

Cosa devo fare nella mia configurazione di prova per convincere i dispositivi a consumare la loro massima corrente di carica?

Lo standard Apple è stato largamente adottato da altri o è accettato da altri e consiste nel porre livelli di tensione specifici sulle linee D e D + a bassa corrente. Posizionando circa 2,0 V sulla linea D e 2,75 V sulla linea D +, sarà possibile caricare 2 A (10 W). Questo può essere fatto con semplici resistori:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Se segui questo circuito nella tua configurazione, dovresti scoprire che almeno i dispositivi Apple si caricano a 2 o più amplificatori e potresti trovare che anche gli altri tuoi dispositivi si ricarichino a questa velocità.

Puoi provare a utilizzare il controller della porta di ricarica dedicato .

Secondo le specifiche, è possibile rilevare i seguenti schemi di ricarica:

1. Divisore 1 DCP, necessario per applicare 2 V e 2,7 V rispettivamente sulle linee D + e D– (TPS2513, TPS2514)
2. Divider 2 DCP, richiesto per applicare rispettivamente 2,7 V e 2 V sulle linee D + e D– (TPS2513, TPS2514)
3. Divider 3 DCP, richiesto per applicare rispettivamente 2,7 V e 2,7 V sulle linee D + e D- (TPS2513A, TPS2514A)
4. BC1.2 DCP, necessario per cortocircuitare la linea D + sulla linea D–
5. Chinese Telecom Standard YD / T 1591-2009 Shorted Mode, necessario per cortocircuitare la linea D + verso la linea D–
6. 1,2 V su entrambe le linee D + e D–

20 ampere è ciò che la fornitura è in grado di erogare, e qualunque cosa tu ti colleghi ad esso prende ciò di cui ha bisogno da quei 20 ampere.

Ad esempio, se si dispone dell'alimentatore impostato per un'uscita da 5 volt e si inserisce una resistenza da 5 ohm sull'uscita, essa fornirà 1 ampere al resistore perché è tutto ciò che il resistore desidera con 5 volt su di esso.

Potresti anche mettere venti resistori da 5 ohm sull'alimentazione, in parallelo, e fornirà 1 ampere a ciascuno di essi per un totale di 20 ampere.

Un dispositivo USB assorbirà solo la quantità di corrente che sa che può sicuramente assorbire senza causare danni al caricabatterie. I dispositivi Apple e Samsung non hanno idea di quanto sia sicuro estrarre dal caricabatterie, quindi ricadono nello standard USB. Lo standard USB dice "0,5 Ampere è sicuro". (Se il caricabatterie si identifica come un caricabatterie USB ma non è in grado di gestire 0,5 Ampere, non è colpa del telefono ma del problema del caricatore).

L'unico modo per convincere il dispositivo ad assorbire più corrente è implementare la comunicazione nel caricabatterie che potrebbe avvenire tra un dispositivo Apple e un caricabatterie Apple, oppure un dispositivo Samsung e un caricabatterie Samsung. Non è molto difficile e puoi acquistare caricabatterie di qualità decente a prezzi ragionevoli che lo fanno. Il tuo caricabatterie non lo fa, quindi 0,5 A è il limite.

Tutti i dispositivi USB devono comportarsi quando sono collegati a una porta dati USB, che fornirà 100 mA per impostazione predefinita, 500 mA quando "richiesto correttamente". Questo è quello che stai ricevendo.

Se colleghi i segnali Data + e Data- insieme attraverso un piccolo resistore (per protezione .. qualcosa di circa 100 ohm), sarai conforme alle specifiche di ricarica della batteria USB, che consentono a un dispositivo di disegnare un minimo di 1,5A.