Technische ondersteuning

Service-ondersteuning

Gebeurtenissen

Aanbevolen producten

USB-C Power Delivery - Wat maakt een USB-C-kabel snel opladen?

Augustus 23, 2022
USB-C Power Delivery - Wat maakt een USB-C-kabel snel opladen?


Voordat de Type-C-interface verscheen, mocht de USB-kabel slechts 2,5 W stroom leveren, terwijl de USB Type-C-kabel het maximale vermogen tot 5V / 3A (15W) toestond. Als het Power Deliver (PD)-protocol wordt aangenomen, kunnen de spanning en stroom worden verhoogd tot 20V / 5A (100W), waardoor de voeding van grote apparaten via de USB-interface mogelijk is, zoals het opladen van een laptop met een grote batterij.

Maar wat maakt een USB-C-kabel snel opladen?

First, Laten we eens kijken naar de USB-C-interface en USB-C-kabel

1.Functiedefinitie van PINsvan USB Type-C

Type-C is een vorm van USB-interface. Het is de enige USB-connector die zich niets aantrekt van de voorkantkanten terugkantwanneer het wordt ingevoegd. Het ondersteunt USB-standaard opladen, gegevensoverdracht, videotransmissie, audiotransmissie, display-uitgang en andere functies.





Een ander verschil tussen USB Type-C en oudere standaarden is de dual-role mogelijkheid. Beide uiteinden van elke USB Type-C-kabel worden gespiegeld, wat betekent dat de twee aangesloten apparaten met elkaar moeten communiceren om te bepalen of ze als host of randapparaat moeten bestaan. De communicatie van de rollen moet afzonderlijk worden uitgevoerd voor gegevens en stroom, en dit werk moet worden uitgevoerd nadat de kabel is aangesloten.

De hostpoort die wordt gebruikt voor gegevenscommunicatie wordt DFP (Downstream Facing Port) genoemd en de perifere poort UPSTREAM Facing Port (UFP). In termen van voeding wordt het uiteinde van de voeding het broneinde (bron) genoemd en het einde van het stroomverbruik wordt het gootsteenuiteinde (gootsteen) genoemd. Sommige apparaten kunnen zowel de DRD-mogelijkheid (Dual Roles of Data) op de gegevens als de DRP-mogelijkheid (Dual Roles of Power) op de voeding hebben. Het CCdraaddefinieert de rol van de voeding tijdens de verbinding tussen de twee apparaten en communiceert via de Type-C "Configuration Channel Pin CC"



2. Hoe wordt een USB-C-naar-USB-C-kabel aangesloten?

Het bedradingsschema van de volledig uitgeruste USB-C naar USB-C GEN 2-kabel is als volgt, geleverd door P-Shine Electronic Tech Ltd.

Status (1) Niet-omgedraaide directe verbinding



De bovenstaande afbeelding toont de verbinding wanneer de kabelNiet omgedraaid. Van de socket aan de linkerkant naar de socket aan de rechterkant is het RX1-paar verbonden met het RX1-paar, het RX2-paar is verbonden met het RX2-paar; D+ is verbonden met D+, D- is verbonden met D-, SBU1 is verbonden met SBU2 en CC1 is verbonden met CC1. .

Soms hoeven de VCONN's aan beide uiteinden van de kabel niet te worden aangesloten (B5 tot B5). Wanneer de elektronischemerken(E-mark) chip is geïnstalleerd op de printplaat van de USB-C connector, de B5 van de linker stekker en de B5 van de rechter stekkernodig hebbenmet elkaar verbonden zijn

Staat (2)Flipped verbinding



Wanneer de stekker en het stopcontact aan de linkerkant hetzelfde blijven en het stopcontact aan de rechterkantookblijft hetzelfde, maar de stekker aan de rechterkant verandert van de ene kant naar de andere (USB-C ondersteunt voor- en achterinbrenging), de USB-C-aansluitingGespiegeld

In dit geval, van de socket aan de linkerkant naar de socket aan de rechterkant, is het RX1-paar verbonden met het TX2-paar, het RX2-paar is verbonden met het TX1-paar, D + is nog steeds verbonden met D +, D- is nog steeds verbonden met D-, SBU1 Connect met SBU1, SBU2 naar SBU2 en CC1 is verbonden met CC2 via de CCdraad. Nu worden high-speed gegevens verzonden via RX1+/- en TX1+/- aan de linkerkant naar TX2+/- en RX2+/- aan de rechterkant.

Zowel de linker- als rechterstekkerskunnenworden omgedraaid. Het lijkt erop dat er in totaal vier verschillende verbindingsmethoden zijn, maar er zijn er eigenlijk maar twee, direct (beide uiteinden tegelijkertijd omdraaien is gelijk aan direct) en eenzijdig flippened.

Daarom kunt u vier paar snelle signaalparen zien in de 3.1-kabel van USB-C naar USB-C-kabel, maar slechts twee paren werken tegelijkertijd, wals de eenzijdige stekker is omgedraaid, kunnen de andere twee vrije signaalparen het oorspronkelijke werkpaar vervangens. Of als de host- en randrollen voor voeding of gegevensoverdracht veranderen, worden signaalparen voortdurend geschakeld.

In het USB 3.1-systeem moeten de RX/TX-gegevensparen worden geconfigureerd voor elke mogelijke verbindingsstatus met behulp van een multiplexer, zodat een juiste communicatie kan worden gevormd.De onderstaande afbeelding toont de routeringsmogelijkheden van gegevensparen tussen USB Type-C-poorten, de oriëntatie van de stekker en het stopcontact kan worden gekend door de status van CC1 / CC2 op elke terminal te meten, de CC-logische controller kan vervolgens de routeringsconfiguratie van de multiplexer voltooien, hetzij in de multiplexer of in de USB-chipset.




3. USB-C Power Delivery - Wat maakt een USB-C-kabel snel opladen?

USB PD3.0 is alleen gerelateerd aan de voeding van de kabel en heeft niets te maken met de gegevensoverdracht. Traditionele USB-A-oplaadkabels kunnen slechts twee draden zijn, VBUS en Gound. Een USB-C-naar-USB-C-kabel die voldoet aan PD 3.0 vereist echter ten minste drie draden, VBUS, Gound en CC (Channel Configuration).

In een USB Type-C-kabel die geen gebruik maakt vaneenPower Transfer Protocol, de methode van vermogensoverdracht van het bronuiteinde naar het zinkuiteinde wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding



Het bronuiteinde van de USB Type-C-kabel bevat altijd een MOSFET-schakelaar voor het in- / uitschakelen van VBUS, het kan de mogelijkheid hebben om VBUS-stroom te detecteren, de belangrijkste functie is om overstroomomstandigheden te detecteren,het VBUS-ontladingscircuit daarin begint te werken wanneer overstroom optreedt. De detectiecircuits van CC1 en CC2 bestaan zowel aan de bron- als aan de sink-uiteinden.

De rol van de CC (Channel Configuration)draadis om de voeding voor twee aangesloten apparaten te configureren. In eerste instantie is er geen voeding op de VBUS van de USB Type-C-interface. Het systeem moet de rol van het apparaat tijdens de kabelverbinding definiëren.Het apparaat met de spanning van de CC-lijn op het stopcontact omhoog getrokken, wordt gedefinieerd als de stroomleverancier (bron), terwijl het apparaat met de spanning naar beneden wordt getrokken wordt gedefinieerd als de stroomverbruiker (gootsteen).



De bovenstaande afbeelding laat zien hoe de rol te bepalensvan voeding en verbruik, kabeloriëntatie en stroomvoorziening. De CC1 en CC2 aan het broneinde worden hoog getrokken door de weerstand Rp en de bewaakte CC1/CC2 staat altijd op een hoge spanning als er niets is aangesloten. Zodra de gootsteen is aangesloten, wordt de spanning van CC1 of CC2 naar beneden getrokken door de weerstand Rd . Omdat er slechts één CC-draad in de kabel zit, kan de bron zien welkezijde van deCC wordt laag getrokken. De spanning van CC1/CC2 bij de sink wordt ook bewaakt, once a CCdraadblijkt te worden opgetrokken, zal de verandering in het spanningsniveau de gootsteen de stroomtoevoercapaciteit van de bron laten weten. De pull-up weerstand Rp in het circuit kan ook worden vervangen door een stroombron, die eenvoudig te implementeren is in een geïntegreerde schakeling en immuun kan zijn voor V + voedingsspanningsfouten.

De gedefinieerde waarde van de pull-down weerstand Rd bij de spoelbak is 5,1KΩ, dus de spanning van de CCdraadwordt bepaald door de waarde van de optrekweerstand Rp aan de bron (of de huidige waarde van de stroombron). Er zijn 3 niveaus van busstroom die zijn gedefinieerd. De laagste CCdraadspanning (ongeveer 0,41 V) komt overeen met de standaard USB-voedingsspecificatie (500 mA voor USB 2.0 of 900 mA voor USB 3.0) en de hogere CCdraadspanning (ongeveer 0,92 V) komt overeen met een stroomvermogen van 1,5 A. Als de CCdraadspanning is ongeveer 1.68V, de overeenkomstigeMaximum stroom voedingscapaciteit is 3A. Relevante gegevens kunnen verwijzen naar de volgende figuur



De onderstaande figuur toont een meetgeval waarin de voedingszijde (Source) is aangesloten op de stroomverbruikszijde (Sinkt), met behulp van een normale USB-C-naar-USB-C-kabel.

In eerste instantie worden zowel CC1 als CC2 op de bronaansluiting door de weerstand Rp tot een hoge spanning getrokken en zowel CC1 als CC2 op de gootsteen worden door de pull-down weerstand Rd naar een lage spanning getrokken.

Nadat de kabel is aangesloten, wordt CC1 of CC2 naar een hogere spanning getrokken, afhankelijk van de insteekrichting van de kabel. De kabel is in dit geval niet in een omgedraaide toestand, de CC1 aan het bronuiteinde en CC1 aan het gootsteenuiteinde zijn aangesloten,nadat de spanning op CC1 wordt beïnvloed door Rp en Rd, verschijnt er een nieuwe waarde, deze spanning wordt gemeten door de sink en weet dus wat de stroomtoevoercapaciteit van de bron is.

In dit geval is de spanning van CC1 na het aansluiten ongeveer 1,65V, wat betekent dat de bron een maximale stroom van 3A kan leveren.

Na de CCdraadverbinding tot stand wordt gebracht, wordt de 5V-spanning op VBUS ingeschakeld.

In systemen zonder stroomtoevoerprotocol wordt de stroomvoorziening op de bus bepaald door Rp/Rd, maar de bron levert slechts 5V



Na toepassing van het Power Delivery (PD) protocol kan de busspanning van het USB Type-C systeem worden verhoogd tot maximaal 20V, communicatie tussen de bron en de sink met betrekking tot busspanning en stroom wordt bereikt door seriële BMC-codes op de CC-draad te verzenden

Het systeemframediagram van het USB Type-C-systeem inclusief het PD-protocol van de bronkantnaar de gootsteenkantis weergegeven in de onderstaande figuur



Zoals te zien is in de bovenstaande afbeelding, bevat de bronzijde een spanningsomvormer, die wordt bestuurd door de PD-controller aan de bronzijde. De spanningsomvormer kan een Buck, Boost, Buck-Boost of flyback-omvormer zijn, afhankelijk van de ingangsspanningsomstandigheden en de hoogste busspanningsvereisten. PD-communicatie via de CCdraadstaat ook onder controle van de PD-controller. Het USB PD-systeem heeft ook een schakelaar nodig om de VCONN-voeding naar een CC te schakelendraad.

Wanneer de verbinding van de kabel tot stand is gebracht, begint de SOP-communicatie van het PD-protocol via de CCdraadom de specificatie van de krachtoverbrenging te selecteren,De sink vraagt de vermogensconfiguratieparameters (spannings- en stroomgegevens van de bus) die de bron kan leveren. Sinds de stroomvraag van de sinkteinde is vaakaanverwantnaar het apparaat dat is aangesloten op dezinken(zoals een oplader), de embedded systeemcontroller van de sinktend moet communiceren met de PD-controller van het broneinde om de bijbehorende specificaties te bepalen.

De onderstaande afbeelding toont een voorbeeld van een zinkende PD-controller die om een hogere busspanning vraagt.



De communicatie tussen de gootsteen en de bron op de CCDraad ziet eruit als de volgende stappen:

1. De sInktzijde is van toepassing om de capaciteitsgegevens van de bronzijde te verkrijgen.

2. De bron verstrekt informatie over de capaciteitsgegevens.

3. De sink selecteert de juiste vermogensconfiguratieparameters uit de door de bron verstrekte informatie over capaciteitsgegevens en verzendt een overeenkomstig verzoek.

4. De bron accepteert het verzoek en wijzigt de busspanning naar de overeenkomstige parameter. Tijdens busspanningswisselingen wordt het stroomverbruik van de gootsteen zo klein mogelijk gehouden. Het proces van het verhogen van de busspanning aan het broneinde wordt uitgevoerd volgens de gedefinieerde spanningsverhogende snelheid.

5. Nadat de busspanning de eindwaarde heeft bereikt, wacht de bron tot de busspanning is gestabiliseerden danhet verzenden van een power ready signaal naar dezinken eenOp dit punt kan de gootsteen zijn stroomverbruik verhogen. Hetzelfde communicatieproces vindt plaats wanneer de gootsteen wil dat de busspanning daalt, tijdens de daling van de busspanning activeert de bron een shuntcircuit dat de busspanning snel vermindert door actieve busontlading. Na het bereiken van de nominale waarde wacht de bron iets langer tot de busspanning is gestabiliseerd voordat een stroomklaar signaal naar de consument wordt verzonden

Deze communicatiemethode zorgt ervoor dat eventuele stroomveranderingen op de bus binnen de mogelijkheden van de bron en de zink vallen, waardoor oncontroleerbare omstandigheden worden vermeden. Wanneer de aansluiting van de Type-C-kabel wordt losgekoppeld, wordt ook de stroom op de bus uitgeschakeld. Eenny nieuwe verbinding zal zeker de detectie van de kabelverbinding doen, en de spanning is altijd op 5V, zodathetkan hoogspanning vermijden wanneer de kabel van het ene apparaat op het andere is aangesloten.

De USB PD-communicatie maakt gebruik van Bi-phase Mark Code (BMC), een communicatiecode met één regel. De overdracht van gegevens 1 vereist een schakelproces tussen hoog- en laagspanning, en de overdracht van gegevens 0 Het is een vaste hoogspanning of laagspanning. Elk gegevenspakket bevat een 0/1 alternerende preambule, een begin van het pakket (SOP), een pakketheader, informatiegegevensbytes, een CRC-cyclische redundantiecode en een code voor het einde van het pakket (einde van het pakket). Packet, EOC), zie onderstaande figuur:



De onderstaande figuur toont de golfvorm van een PD-communicatie die een busspanningsverhoging vereist van dicht naar uitgebreid. De volgorde van de preambule is te zien aan de laatste uitgebreide golfvorm.



BMC-communicatiegegevens kunnen worden gedecodeerd met een USB PD-decoder, zoals Ellisys' EX350-analyzer. Met deze tool kunnen de gegevens van PD-communicatie worden vastgelegd en wordt de betekenis van elk gegevenspakket weergegeven, dat tijdgerelateerde gegevens bevat zoals busspanningswaarde, golfvorm op de CCdraad, enz., zie onderstaande figuur




4.Lijst met energieconfiguraties

De USB PD 3.0-specificatie definieert de volgende configuratielijst voor voedingen:



Er zijn 4 afzonderlijke spanningswaarden die vooraf zijn gedefinieerd: 5V, 9V, 15V en 20V. Voor 5V, 9V en 15V is de maximale stroom 3A. In een 20V-configuratie, als de kabel normaal is, is de maximaal toegestane uitgang 20V / 3A(60W). Als een speciaal aangepaste kabel metElectronischMerk (E-Mark)wordt gebruikt, kunnen de bijbehorende gegevens worden vergroot tot 20V / 5A(100W). Een systeem dat de hoogste spanning en het hoogste vermogen ondersteuntgraadmoet ook alle lagere spanning en vermogen ondersteunengraads.


5. Kabel metElectronischMark (E-Mark) en Hoe werkt een E-Mark chip?

De USB Type-C-specificatie definieert een verscheidenheid aan kabels met verschillende specificaties. Er zijn geen speciale vereisten voor een USB 2.0-kabel met lage snelheid. Maar voor USB 3.1-kabels die ondersteuning bieden voorsupersnelle gegevensoverdracht, of kabels met stromen van meer dan 3A,ElectronischMerkenmoet worden gebruikt. De kabel in de onderstaande afbeelding bevat een IC waarvan de functie is om de kenmerken van de kabel te identificeren. Deze levendige kabel kan ook IC bevatten voor signaalvorming, die allemaal stroom van de VCONN nodig hebbenwiervan de kabel.



De Vconn in de kabel met daarin deElectronischMerkenchip bevat een pull-down weerstand Ra van 1KΩ, en de waarde is kleiner dan de weerstand Rd, die meestal 5,1 kΩ is. Wanneer een dergelijke kabel wordt geplaatst, ziet het bronuiteinde de spanningsval van CC1 en CC2. De specifieke spanningsverandering zal de host vertellen welkeeindewordt naar beneden getrokken door de 5,1 kΩ weerstand van het gootsteenuiteinde,en welkeeindewordt naar beneden getrokken door de 1KΩ weerstand van de kabel, dus tde invoegrichtingvan de kabelkan worden bepaald. Het pull-down effect van Ra stelt het broneinde ook in staat om te weten dat VCONN een 5V-voeding nodig heeft, dus het moet stroom leveren aan het CC-uiteinde om te voldoen aan de stroomvereisten van deElectronischMerken.



Onderstaande figuur toont een testcase,WhIchHet uiteinde van de voeding (bron) is verbonden met het uiteinde van het stroomverbruik (gootsteen) door een kabel met eenElectronischMerkenen de kabel is omgedraaid. Het is te zien dat wanneer de kabel is aangesloten, een CCdraadaan het broneinde wordt door een 1 naar een zeer lage spanning getrokkenKΩ weerstand van de VCONN-kant.

De broneindezal deze spanning detecteren en weten dat de kabel eenElectronischChip markeren, dus het zal de 5V VCONN verbinden met de CCdraadom stroom te leveren aan het interne circuit van de kabel.

De PD-communicatie die later plaatsvindt, omvat de communicatie tussen de bron en deElectronischMerken(SOP' of SOP genoemd),en de communicatie tussen de bron en de gootsteen (SOP genoemd)




6.Dubbele rol van voeding

Sommige USB Type-C-apparaten kunnen worden gebruikt als zowel een bron als een gootsteen, en ze worden apparaten genoemd die dubbele rollen ondersteunen (Dual Role for Power, DRP). De CC1- en CC2-aansluitingen van dit apparaat bevinden zich in een staat van afwisselend hoge en lage niveaus. Vóór de interconnectie, zodra de verbinding plaatsvindt, zullen de CC-terminals van beide veranderen, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.


In dit geval wordt het DRP-apparaat aan de linkerkant geselecteerd als bron en het DRP-apparaat aan de rechterkant als sink. Deze situatie kan ook worden omgekeerd, tenzij een DRP-apparaat is ingesteld op de eerste bron (zoals wanneer het wordt gevoed door een externe voedingsadapter) of is ingesteld om als eerste te zinken (zoals wanneer het wordt gevoed door een batterij).

Schakelen tussen energierollen kan ook optreden tijdens de verbinding, zolang een van de twee DRP-apparaten de aanvraag voor het schakelen tussen rollen initieert. In de volgende afbeelding ziet u het proces van een dergelijke rolwisseling.






 

Copyright 2019 Alle rechten voorbehouden.

Verwijzigingen: