Comprensione dei requisiti di corrente di spunto USB


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In relazione a una domanda precedente , sto cercando di comprendere i requisiti USB 2.0 per la corrente di spunto. Capisco l'idea di base, ma alcuni dettagli non sono ancora chiari per me. Le specifiche indicano, in parte, che:

Il carico massimo (CRPB) che può essere posizionato all'estremità a valle di un cavo è 10 μF in
parallelo con 44 Ω. La capacità di 10 μF rappresenta qualsiasi condensatore di bypass collegato direttamente attraverso le linee VBUS nella funzione più eventuali effetti capacitivi visibili attraverso il regolatore nel dispositivo. La resistenza di 44 Ω rappresenta un'unità di carico assorbita dalla corrente durante il collegamento.

Se nel dispositivo è richiesta una maggiore capacità di bypass, il dispositivo deve incorporare una qualche forma di limitazione della corrente di picco VBUS, in modo tale che corrisponda alle caratteristiche del carico sopra indicato.

L'USB-IF fornisce anche una descrizione di un test di corrente di spunto:

La corrente di spunto viene misurata per un minimo di 100 millisecondi dopo l'attacco. L'attacco è definito nel momento in cui il VBus e i pin di terra della spina si accoppiano con la presa.
Qualsiasi corrente superiore a 100 mA durante l'intervallo di 100 ms è considerata parte dell'evento corrente di spunto. La corrente di spunto è divisa in regioni. Una regione è un intervallo in cui la corrente supera i 100 mA fino a quando la corrente scende al di sotto dei 100 mA per almeno 100 µs. Possono esserci più regioni di spunto durante il periodo di 100 ms. Pass / fail è determinato dalla regione con la carica più alta.

Ciò è esplicito per quanto possibile, ma fornisce solo un tempo minimo di misurazione e non specifica quale algoritmo viene applicato alle regioni di spunto per prendere una decisione pass / fail. Penso che l'idea sia che durante le regioni quando la corrente supera i 100 mA, la corrente è integrata per ottenere il trasferimento della carica totale durante questa finestra e la carica totale non deve essere maggiore di quella che otterresti con il 10 uF // 44 Carico Ω. Secondo una fonte , questo sarebbe 5 V * 10 µF = 50 µC. È qui che la mia comprensione diventa un po 'traballante.

Per aiutarmi a capire, ho analizzato il seguente circuito :

circuito

[La resistenza R1 non fa parte di alcuna specifica, ma ne ho bisogno per fare i calcoli e posso lasciarla andare a zero secondo necessità.] La corrente inizia da e decade in modo esponenziale a V 1 / ( R 1 + RV1/R1 con costante di tempo ( 1 / R 1 + 1 / R 2 ) - 1 C 1 .V1/(R1+R2)(1/R1+1/R2)-1C1

La carica totale trasferita al momento saràt

Q(t)=V1R1+R2t+V1R22C(R1+R2)2{1-exp(-tC1(1R1+1R2))}

Nel limite quando va a zero, questo semplificaR1

Q(t)=V1R2t+V1C

Una parte che non capisco è che con 5 volt dal bus USB e il carico prescritto 44 Ω, ci sarà sempre una corrente 5V / 44 Ω = 114 mA, che è superiore al limite di 100 mA descritto nella citata USB -IF test, e anche più del carico massimo di un'unità (cioè 100 mA) consentito per una funzione USB a bassa potenza (specifica USB 2.0 sezione 7.2.1). Nel caso limite R1 = 0, questa corrente assorbirà la stessa carica del condensatore (cioè 50 µC) in R2 * C1 = 440 µs.

Quindi la domanda, se stai ancora leggendo, è che cosa significa, esattamente, "[abbinare] le caratteristiche del carico sopra" (cioè 44 Ω in parallelo con 10 µF), e come fa lo spunto USB-IF descritto test corrente decidere quanta corrente è troppo?

Grazie.


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L'USB quasi sicuramente non ti darà mai 5V. Generalmente ottieni circa 4,5 V, dai o dai, da VBus. Sembra che la linea guida sia leggermente pessismistica e assuma 4,4 V dal filo, quindi 44 ohm = 1 unità di carico.
ajs410,

@ ajs410: non ho mai visto un host USB che non sia vicino a 5,0 V. Le specifiche dicono che può variare da 4,4 a 5,25 V, quindi il tuo dispositivo deve funzionare con qualsiasi tensione in quell'intervallo.
endolito il

Hai ragione sul fatto che deve funzionare con le tensioni dalle specifiche, è stata solo la mia esperienza con più PC e persino hub alimentati che di solito ottieni 4,5 V. Sono rimasto piuttosto sorpreso, perché ho pensato che almeno gli hub avrebbero passato 5 V lungo il filo, ma gli hub avevano in realtà tensioni più basse rispetto al PC.
ajs410

@endolith Il 4.4V sta parlando della tensione che un hub non alimentato può avere sulle sue porte e il vero minimo necessario per progettare una periferica non alimentata per ospitare è 4,35V. La tensione minima per un host USB è 4,75 V. Un periperatore alimentato da bus non è e spesso non è collegato direttamente a una porta host, quindi quale tensione misurate su un host USB non potrebbe essere meno rilevante per questa discussione.
metacollina,

Risposte:


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La risposta è: nessuno lo sa.

Bene, qualcuno lo sa, ma il test passa-in-corsa di spunto è considerato informazione proprietaria e come questa determinazione non viene pubblicata dall'USB-IF, per ragioni che sono loro a sapere. So che non è una risposta molto soddisfacente, ma questa è la semplice verità.

Per citare la pagina dei test di conformità elettrica (il testo è in rosso, quindi sai che sono ancora più gravi del normale livello di gravità USB-IF):

NOTA: alcune delle seguenti soluzioni di test approvate utilizzano software proprietario per valutare la qualità del segnale e accelerare gli eventi attuali. L'unico strumento ufficiale di analisi per certificare la qualità del segnale e la corrente di spunto è USBET20 pubblicato da USB-IF. Assicurati di eseguire la qualità del segnale acquisito e di inserire i dati del test corrente tramite USBET per una valutazione ufficiale della misurazione.

Quindi stanno dicendo esplicitamente che non è possibile effettuare la determinazione utilizzando una sola acquisizione della forma d'onda o la funzione "USB inrush test" di diversi oscilloscopi (non l'ho mai visto, quindi non devo usare oscilloscopi abbastanza costosi) non valido e l'unico modo per soddisfare la corrente di picco è se USBSET20 afferma che il dispositivo soddisfa la conformità. Comprende i dati di acquisizione delle forme d'onda .tsv / .csv ed elimina la conformità USB (in formato html).

Dalla pagina di download degli strumenti USB:

USBET20 (8 MB, agosto 2016) è uno strumento di analisi del segnale elettrico autonomo per i test di conformità USB. USBET20 è lo strumento ufficiale di analisi elettrica della conformità che esegue valutazioni di superamento / fallimento sulla qualità del segnale e sui dati di corrente di spunto acquisiti da un oscilloscopio.

Per elaborare ulteriormente, ti dicono solo il tempo minimo di misurazione perché è tutto ciò che devi sapere. Non è necessario sapere come viene effettuata l'effettiva determinazione del passaggio / fallimento e, in effetti, non lo dicono. L'USB-IF è disposto a dirti se sei conforme, ma non sta dicendo a nessuno come lo determina (almeno per la corrente di spunto).

Quel carico a valle massimo è una specifica rilevante per un dispositivo a monte (porta host o hub), il che significa che quando si progetta uno di questi e NON una periferica, allora tale hub o porta dovrebbe essere in grado di resistere a un carico a valle massimo di un resistore 44Ω e un Condensatore da 10µF in parallelo. E hai assolutamente ragione: questo potrebbe assorbire fino a 25mA oltre il limite di 100mA nelle condizioni più estreme. Come tale, un dispositivo a monte deve essere in grado di gestire un tale carico ("maneggiare" significa che non subisce più di una caduta di 330 mV) collegato.

Tuttavia, se la periferica fosse un tale carico, non supererebbe la conformità poiché assorbirebbe oltre 100 mA in alcuni (essenzialmente tutti) dei possibili intervalli di tensione. Tale carico è inteso interamente come uno scenario di progettazione nel caso peggiore per i dispositivi a monte e viene utilizzato per testarli. Non è rilevante per un test di conformità della corrente di spunto periferica.

Ciò che è rilevante è che non riguarda realmente la corrente. Si tratta di addebito, quindi sei già sulla buona strada con questo. In particolare, si tratta della caduta di tensione. Una porta a monte su un hub deve avere non meno di 120µF di bassissima capacità ESR sulla sua uscita VBUS, il bus che alimenta le periferiche a valle.

Un host o un hub alimentato che produce la tensione di uscita nel caso peggiore (4,75 V), passando attraverso i connettori più piccanti, il cavo più grosso, a un hub non alimentato che utilizza anche i connettori più pesanti, quindi quell'hub ha ulteriormente la tensione di ingresso VBUS più elevata sull'uscita VBUS / caduta di tensione a valle (350mV), la tensione sarà di 4,4 V. Quel 4,4 V, collegato tramite connettori scadenti a una periferica scadente, può far sì che veda la tensione minima assoluta reale per un dispositivo a bassa potenza: 4,35 V. Da pagina 175 delle specifiche USB 2.0:

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Facciamo un po 'di matematica. un hub a monte non alimentato deve avere 120 µF di capacità a valle. A 4,4 V * 120µF, sono 528µC di carica. Un dispositivo collegato ha un condensatore da 10µF. Se fai finta che non ci sia carico statico o potenza, solo un condensatore carico sulla porta e uno da 10 µF non caricato nella periferica, la carica verrà distribuita non fino a quando l'altra non è piena, ma fino a quando la tensione tra di esse è uguale. La carica viene conservata, quindi il punto in cui le due tensioni dei condensatori saranno uguali tra loro, dati 528 µC di carica iniziale, è di circa 4,06 V. Oppure, 40,6 µC trasferiti. Aggiungi le resistenze del connettore e il condensatore a valle non sarà nemmeno in grado di assorbire quella carica durante lo spunto.

Quindi, letteralmente l'unico fattore importante è che non supera i 10µF. La corrente non è davvero la cosa che conta, è il modo in cui la capacità della porta a valle dell'hub può essere esaurita senza abbassarsi di oltre 330 mV durante il transiente prima che cose come l'induttanza del cavo diano il tempo per l'effettiva potenza dell'host. E un condensatore da 10µF è il valore disponibile più vicino che non lo farà.

Si noti inoltre che non esiste un limite di capacità. È possibile avere 1F di tutta la capacità ceramica su un dispositivo a valle, purché sia ​​diviso in sezioni da 10µF e solo una delle quali si collegherà al collegamento. Una volta collegato il dispositivo, è necessario rimanere al di sotto di qualsiasi gradino di 10 µF , ma è possibile "online" gradualmente più capacità con incrementi di 10 µF. L'intero punto sta evitando quel transitorio.

E sì, questo significa che una periferica a bassa potenza non dovrebbe solo funzionare fino a 4,35 V, ma anche resistere a un transitorio di caduta di tensione di 330 mV, come quando qualcosa di nuovo è collegato a un hub. Ciò significa anche che, in teoria, se si collegassero due dispositivi SOLO al momento giusto in modo da essere quasi simultanei, si potrebbe interrompere il funzionamento di altri dispositivi sull'hub non alimentato. Sono sicuro che i robot, con i loro HPET, sfrutteranno questo difetto critico nelle specifiche del nostro bus USB per provocare la nostra caduta.

Ora, ci sono probabilmente altri aspetti sottili come i tassi dI / dT o qualsiasi altra cosa. Chi sa esattamente cosa è incorporato nel test fallito del passaggio. Considerando che hanno un intero installer da 7,5 MB per il programma che esegue quel test, è probabilmente sicuro supporre che non sia qualcosa di semplice. Ma tieni a mente che stai cercando di evitare di esaurire i serbatoi di condensatori a monte con la tua capacità a valle, e questo è davvero tutto ciò che c'è da fare. Finché non causerai guasti ad altri dispositivi a causa del transitorio di tensione che potrebbe causare la tua periferica, starai bene. E davvero, equivale a mantenere la capacità vista sull'attacco o altre variazioni dello stato di alimentazione a 10µF. In realtà sarebbe meglio provare ad avere meno di quello, 10µF è il massimo. Io non Non so da dove sia nata l'idea che il massimo assoluto dovrebbe essere la capacità "standard" iniziata, ma i bravi ingegneri sanno meglio che cercare le valutazioni massime. Sottovalutare sempre. Mi piace un bel condensatore da 4,7 µF. Se hai bisogno di un ulteriore disaccoppiamento, tutto ciò che devi fare è non collegarlo direttamente a VBUS e limitarlo a un picco di 100 mA e sei d'oro. Ma sei autorizzato a superare i 100 mA, purché durante una regione vengano trasferiti solo 40,6 µC di carica.

Non preoccuparti della corrente di spunto. Il test della corrente di spunto non riguarda in realtà la corrente di spunto.


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Il test di spunto è specificato negli Aggiornamenti di conformità USB-IF, http://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45 .

La corrente di spunto viene misurata per un minimo di 100 millisecondi dopo l'attacco. L'attacco è definito nel momento in cui il VBus e i pin di terra della spina si accoppiano con la presa. Qualsiasi corrente superiore a 100 mA durante l'intervallo di 100 ms è considerata parte dell'evento corrente di spunto. La corrente di spunto è divisa in regioni. Una regione è un intervallo in cui la corrente supera i 100 mA fino a quando la corrente scende al di sotto dei 100 mA per almeno 100 µs. Possono esserci più regioni di spunto durante il periodo di 100 ms. Pass / fail è determinato dalla regione che ha la carica più alta.

Pass / fail è 50 uC o 5V x 10uF (@metacolin ha preso in considerazione la caduta ma USB non lo fa).

È possibile approssimare lo spunto guardando una cattura dell'oscilloscopio della corrente e calcolando l'area (i * dt) al di sopra di 100 mA per ciascuna regione e verificare la regione del caso peggiore oltre i 100 ms dopo l'attacco.

USBET esegue il calcolo in base ai dati .csv.

La corrente di picco effettiva da sola non è rilevante.


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Questa è una specifica per hub USB o adattatore host. Il modello Black box rappresenta un carico tipico per i test di sovratensione, tuttavia le specifiche richiedono solo un limite minimo di 1uF sulla periferica, 10uF è considerato il carico di valore standard. Poiché i condensatori sono disponibili in tutti i tipi con ESR a partire da 10 mΩ, l'impulso sarà limitato dall'ESR del cappuccio e dalla resistenza del cavo 1 o 1,5 m. Se il cavo e i connettori fossero trascurati o 0 Ω, in teoria potrebbe essere un picco di 500 A = 5 V / 0,01 Ω ESR.

In pratica, sarà molto meno, ma il punto è che l'Host deve essere in grado di prevenire una condizione di sottotensione indipendentemente dall'ESR del cap.

Come lo fa, dipende dal designer.

Quindi la tua domanda ...

in che modo il test di corrente di spunto USB-IF descritto decide quanta corrente è troppa?

Risposta: la tensione dell'host rientra nelle specifiche per la tensione, in modo che le altre porte non vedano una condizione fuori specifica, da un picco di corrente di spunto di plug-in caldo. Questo è lo scopo di questo test.

Inoltre, se il test non rileva alcun aumento> 100 mA con il test black box, potrebbe non riuscire a rilevare un dispositivo inserito a caldo con un carico minimo di 1uF. Quindi è previsto un picco minimo e nessun picco massimo, ma c'è una durata massima.


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Questa è una specifica per le periferiche, non per gli host. L'elenco di controllo della conformità per le periferiche dice "Il dispositivo limita la sua corrente di spunto, sia usando condensatori inferiori a 10µF o utilizzando circuiti di avvio graduale, in modo tale che non più di 10µF di capacità siano caricati da correnti superiori a 100mA quando il dispositivo è caldo tappato?"
Endolith,
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