USB-C stroomvoorziening—Wat zorgt ervoor dat een USB-C kabel snel oplaadt?
23 augustus 2022
USB-C stroomvoorziening—Wat zorgt ervoor dat een USB-C kabel snel oplaadt?
Voordat de Type-C-interface verscheen, mocht de USB-kabel slechts 2,5W vermogen leveren, terwijl de USB Type-C kabel het maximale vermogen tot 5V/3A (15W) toestond. Als het Power Deliver (PD)-protocol wordt toegepast, kunnen de spanning en stroom worden verhoogd tot 20V/5A (100W), waardoor de stroomvoorziening van grote apparaten via de USB-interface mogelijk is, zoals het opladen van een laptop met een grote batterij.
Maar, wat zorgt ervoor dat een USB-C-kabel snel oplaadt?
FIrst,Laten we het bekijken van de USB-C-interface en USB-C-kabel
1. Functiedefinitie van PINs van USB Type-C
Type-C is een vorm van USB-interface. Het is de enige USB-connector die zich niet druk maakt om de voorkantZijkanten terug Zijkant wanneer het wordt ingebracht. Het ondersteunt standaard USB-opladen, datatransmissie, videotransmissie, audiotransmissie, display-uitgang en andere functies.
Een ander verschil tussen USB Type-C en oudere standaarden is de dual-role capaciteit. Beide uiteinden van elke USB Type-C kabel zijn gespiegeld, wat betekent dat de twee aangesloten apparaten met elkaar moeten communiceren om te bepalen of ze als host of randapparatuur moeten bestaan. De communicatie van de rollen moet afzonderlijk worden uitgevoerd voor data en stroom, en dit werk moet worden uitgevoerd nadat de kabel is aangesloten.
De hostpoort die wordt gebruikt voor datacommunicatie heet Downstream Facing Port (DFP), en de periferiepoort heet Upstream Facing Port (UFP). Wat betreft de stroomvoorziening wordt het deel van de voeding het bronuiteinde (Bron) genoemd, en het energieverbruiksuiteinde het sink-einde (Sink). Sommige apparaten kunnen zowel de Dual Roles of Data (DRD)-functionaliteit op de data als de Dual Roles of Power (DRP)-functionaliteit op de voeding hebben. De CCDraad bepaalt de rol van de voeding tijdens de verbinding tussen de twee apparaten, en communiceert via de Type-C "Configuration Channel Pin CC"
2.Hoe is een USB-C naar USB-C kabel verbonden?
Het bedrading van de volledig uitgeruste USB-C naar USB-C GEN 2-kabel is als volgt, geleverd door P-Shine Electronic Tech Ltd.
Status (1) Onomgekeerde directe verbinding
De afbeelding hierboven toont de verbinding wanneer de kabel isOnomgedraaid. Van de aansluiting links naar de aansluiting rechts is het RX1-paar verbonden met het RX1-paar, het RX2-paar 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 aangesloten te worden (B5 naar B5). Wanneer de elektronischeMark (E-mark) chip wordt op de printplaat van de USB-C-connector geïnstalleerd, de B5 van de linker stekker en de B5 van de rechter stekkerBehoefte met elkaar verbonden zijn
Staat (2)FLipte verbinding
Wanneer de stekker en het stopcontact links hetzelfde blijven, en het stopcontact aan de rechterkantOokblijft hetzelfde, maar de stekker aan de rechterkant verandert van de ene naar de andere kant (USB-C ondersteunt voor- en achteraansluiting), de USB-C-verbindingOmgedraaid
In dit geval is van de socket links naar de socket rechts het RX1-paar verbonden met het TX2-paar, het RX2-paar met het TX1-paar, D+ nog steeds verbonden met D+, D- nog steeds verbonden met D-, SBU1 Connect met SBU1, SBU2 met SBU2, en CC1 verbonden met CC2 via de CCDraad. Nu wordt hogesnelheidsdata verzonden via RX1+/- en TX1+/- aan de linkerkant naar TX2+/- en RX2+/- aan de rechterkant.
Zowel de linker- als rechterstekkerskan Word omgedraaid. Het lijkt erop dat er in totaal vier verschillende verbindingsmethoden zijn, maar er zijn er eigenlijk maar twee: direct (beide uiteinden tegelijk omdraaien is gelijkwaardig aan direct) en eenzijdige flipped.
Daarom kun je vier paren hogesnelheidssignaalparen zien in de 3.1-kabel van USB-C naar USB-C kabel, maar werken er slechts twee paren tegelijk, wAls de eenzijdige stekker wordt omgedraaid, kunnen de andere twee vrije signaalparen het oorspronkelijke werkende paar vervangens. Of terwijl de host- en randapparatuur voor stroomvoorziening of datatransfer veranderen, worden signaalparen voortdurend geschakeld.
In het USB 3.1-systeem moeten de RX/TX-dataparen voor elke mogelijke verbindingstoestand worden geconfigureerd met behulp van een multiplexer zodat correcte communicatie kan worden opgebouwd. De onderstaande figuur toont de routeringsmogelijkheden van dataparen tussen USB Type-C-poorten, de oriëntatie van de stekker en het stopcontact kan worden bepaald door de status van CC1/CC2 op elke terminal te meten; de CC-logicacontroller kan vervolgens de routeringsconfiguratie van de multiplexer voltooien, hetzij in de multiplexer of in de USB-chipset.
3.USB-C stroomvoorziening—Wat zorgt ervoor dat een USB-C kabel snel oplaadt?
USB PD3.0 heeft alleen te maken met de voeding van de kabel en heeft niets te maken met de datatransmissie. Traditionele USB-A oplaadkabels kunnen slechts uit twee draden bestaan, VBUS en Gound. Een USB-C naar USB-C kabel die voldoet aan PD 3.0 vereist echter minstens drie draden: VBUS, Gound en CC (Channel Configuration).
In een USB Type-C-kabel die niet gebruikta Vermogensoverdrachtprotocol, de methode van stroomoverdracht van het bronuiteinde naar het gootsteenuiteinde wordt weergegeven in de onderstaande figuur
Het bronuiteinde van de USB Type-C-kabel bevat altijd een MOSFET-schakelaar voor het aan- en uitzetten van VBUS, deze kan VBUS-stroom detecteren, maar de belangrijkste functie is het detecteren van overstroomcondities, het VBUS-ontlaadcircuit erin begint te werken wanneer er overstroom optreedt. De detectiecircuits van CC1 en CC2 bestaan zowel aan de bron- als aan de sink-uiteinde.
De rol van de CC (Kanaalconfiguratie)Draad is het configureren van de voeding voor twee aangesloten apparaten. Aanvankelijk 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 de omhoog getrokken socket wordt gedefinieerd als de stroomvoorziener (bron), terwijl het apparaat met de spanning omlaag wordt gedefinieerd als de stroomverbruiker (sink).
De bovenstaande figuur laat zien hoe je de rol kunt bepalens van de stroomvoorziening en -verbruik, kabeloriëntatie en stroomvoorziening. De CC1 en CC2 aan de bronkant worden hoog getrokken door de weerstand Rp, en de gemonitorde CC1/CC2 staat altijd op een hoge spanning wanneer er niets is aangesloten. Zodra de gootplaat is aangesloten, wordt de spanning van CC1 of CC2 door de weerstand Rd naar beneden getrokken. Omdat er maar één CC-draad in de kabel zit, kan de bron bepalen welkezijde van deCC wordt laag getrokken. De spanning van CC1/CC2 bij de gootsteen wordt ook gemonitord, oNCE een CCDraad als wordt aangetroffen dat het wordt opgeheven, zal de verandering in het spanningsniveau de put laten weten wat de stroomvoorziening van de bron is.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 put is 5,1KΩ, dus de spanning van de CCDraad wordt bepaald door de waarde van de pull-up weerstand Rp bij de bron (of de huidige waarde van de stroombron). Er zijn 3 niveaus van busstroomdie zijn gedefinieerd. De laagste CCDraad spanning (ongeveer 0,41V) komt overeen met de standaard USB-voedingsspecificatie (500mA voor USB 2.0 of 900mA voor USB 3.0), en de hogere CCDraad spanning (ongeveer 0,92V) komt overeen met een stroomcapaciteit van 1,5A. Als de CCDraad de spanning is ongeveer 1,68V, de overeenkomstigeMDe aximumstroomvoorziening is 3A. Relevante gegevens kunnen verwijzen naar de volgende figuur
De onderstaande figuur toont een meetgeval waarin de voedingskant (Source) is verbonden met de energieverbruikszijde (Sinkt), met een gewone USB-C naar USB-C kabel.
Aanvankelijk worden zowel CC1 als CC2 op de bronsocket omhoog getrokken tot een hoge spanning door de weerstand Rp, en worden zowel CC1 als CC2 op de gootbak naar een lage spanning getrokken door de pull-down weerstand Rd.
Nadat de kabel is aangesloten, wordt CC1 of CC2 omhoog getrokken naar een hogere spanning, afhankelijk van de insteekrichting van de kabel. De kabel is in dit geval niet in een omgekeerde toestand, de CC1 aan de bronkant en CC1 aan de gootsteenkant zijn aangesloten, nadat de spanning op CC1 is beïnvloed door Rp en Rd, verschijnt er een nieuwe waarde; deze spanning wordt gemeten door de put en weet zo wat de stroomvoorziening van de bron is.
In dit geval is de spanning van CC1 na aansluiting ongeveer 1,65V, wat betekent dat de bron een maximale stroom van 3A kan leveren.
Na het CC Draad de verbinding wordt gelegd, de 5V spanning op VBUS wordt ingeschakeld.
In systemen zonder een stroomvoorzieningsprotocol wordt de stroomvoorziening op de bus bepaald door Rp/Rd, maar levert de bron slechts 5V
Na het invoeren van het Power Delivery (PD)-protocol kan de busspanning van het USB Type-C-systeem worden verhoogd tot maximaal 20V, communicatie tussen bron en sink met betrekking tot busspanning en stroom wordt bereikt door het verzenden van seriële BMC-codes op de CC-draad
Het systeemraamdiagram van het USB Type-C-systeem, inclusief het PD-protocol van de bronZijkantnaar de gootsteenZijkant wordt weergegeven in de onderstaande figuur
Zoals getoond in de bovenstaande figuur bevat de bronzijde een spanningsomvormer, die wordt aangestuurd door de bronzijde PD-regelaar. De spanningsomvormer kan een Buck-, Boost-, Buck-Boost- of flyback-omzetter zijn, afhankelijk van de ingangsspanningscondities en de hoogste busspanningsvereisten. PD-communicatie via de CCDraad valt ook onder controle van de PD-controller. Het USB PD-systeem heeft ook een schakelaar nodig om de Vconn-stroom 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 CCDraad om de specificatie van de vermogensoverdracht te selecteren, De put zal de stroomconfiguratieparameters (spannings- en stroomgegevens van de bus) vragen die de bron kan leveren. Aangezien de vermogensvraag van de sinkt Einde is vaakGerelateerdaan het apparaat dat is aangesloten op deZinken (zoals een oplader), de embedded systeemcontroller van de sinkt moet communiceren met de PD-controller van het bronpunt om de bijbehorende specificaties te bepalen.
De onderstaande figuur toont een voorbeeld van een zinkende PD-controller die een hogere busspanning aanvraagt.
De communicatie tussen de gootsteen en de bron op de CCDraad ziet eruit als de volgende stappen:
1. De sink-zijde wordt toegepast om de capaciteitsgegevens van de bronzijde te verkrijgen.
2. De bron levert zijn capaciteitsgegevens.
3. De sink selecteert de juiste energieconfiguratieparameters uit de capaciteitsgegevens die door de bron worden verstrekt en stuurt een overeenkomstig verzoek.
4. De bron accepteert het verzoek en past de busspanning aan naar de overeenkomstige parameter. Tijdens busspanningsveranderingen wordt het stroomverbruik van de sink zo klein mogelijk gehouden. Het proces van het verhogen van de busspanning aan het bronuiteinde wordt uitgevoerd volgens de gedefinieerde spanningsverhogingssnelheid.
5. Nadat de busspanning de uiteindelijke waarde heeft bereikt, wacht de bron tot de busspanning stabiliseerten dan het verzenden van een power ready-signaal naar deZinken,aOp dit punt kan de gootsteen zijn huidige verbruik verhogen. Hetzelfde communicatieproces vindt plaats wanneer de sink wil dat de busspanning daalt, tijdens de busspanningsval activeert de bron een shuntcircuit dat de busspanning snel verlaagt door actieve busontlading. Na het bereiken van de nominale waarde wacht de bron iets langer tot de busspanning stabiliseert voordat een stroomklaar signaal naar de consument wordt gestuurd
Deze communicatiemethode zorgt ervoor dat eventuele stroomveranderingen op de bus binnen de mogelijkheden van de bron en de put vallen, waardoor oncontroleerbare omstandigheden worden vermeden. Wanneer de verbinding van de Type-C-kabel wordt losgekoppeld, wordt ook de stroom op de bus uitgeschakeld. AMijn nieuwe aansluiting zal zeker de kabeldetectie doen, en de spanning is altijd 5V, dus dathet Kan hoge spanning voorkomen wanneer de kabel van het ene apparaat naar het andere wordt aangesloten.
De USB PD-communicatie gebruikt Bi-phase Mark Code (BMC), een enkelvoudige communicatiecode. De transmissie van data 1 vereist een schakelproces tussen hoge en lage spanningen, en de overdracht van data 0 Dit is een vaste hoge of lage spanning. Elk datapakket bevat een 0/1 afwisselende preambule, een start van het pakket (SOP), een pakketheader, informatiebytes, een CRC cyclische redundantiecode en een eind-van-pakket (einde van het pakket) code. Packet, EOC), zie de 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 uit de laatst uitgebreide golfvorm.
BMC-communicatiegegevens kunnen worden gedecodeerd met een USB PD-decoder, zoals de EX350-analyzer van Ellisys. Met deze tool kunnen de gegevens van PD-communicatie worden vastgelegd en wordt de betekenis van elk datapakket weergegeven, dat tijdgerelateerde gegevens bevat zoals busspanningswaarde en golfvorm op de CCDraad, enz., zie de onderstaande figuur
4. Lijst met stroomconfiguraties
De USB PD 3.0-specificatie definieert de volgende configuratielijst van voedingen:
Er zijn 4 aparte spanningswaarden die vooraf zijn vastgesteld: 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 metElectronicMark (E-Mark) wordt gebruikt, kunnen de bijbehorende gegevens worden uitgebreid tot 20V/5A(100W). Een systeem dat de hoogste spanning en vermogen ondersteuntGraad moet ook alle lagere spanningen en vermogens ondersteunenGraads.
5.Kabel metElectronicMark (E-Mark) en hoe werkt een E-Mark chip?
De USB Type-C specificatie definieert verschillende kabels met verschillende specificaties. Er zijn geen speciale eisen voor een low-speed USB 2.0-kabel. Maar voor USB 3.1-kabels die ondersteuning biedenSupersnelle datatransmissie, of kabels met stromen die 3A overschrijden,ElectronicMark moet worden gebruikt. De kabel die in de onderstaande figuur wordt getoond, 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 vereisenwier van de kabel.
De Vconn in de kabel die deElectronicMark chip bevat een pull-down weerstand Ra van 1KΩ, en de waarde is kleiner dan de weerstand Rd, die doorgaans 5,1 kΩ is. Wanneer zo'n kabel wordt ingebracht, zal het bronuiteinde de spanningsval van CC1 en CC2 zien. De specifieke spanningsverandering vertelt de host welkeeinde wordt naar beneden getrokken door de 5,1 kΩ weerstand van het uiteinde van de gootsteen, en dieeinde wordt naar beneden getrokken door de 1KΩ weerstand van de kabel, dus tDe invoegrichting van de kabel kan worden bepaald. Het pull-down-effect van Ra zorgt er ook voor dat de bronkant weet dat VCONN een 5V voeding nodig heeft, dus moet het stroom leveren aan het CC-uiteinde om aan de stroomvereisten van deElectronicMark.
De onderstaande figuur toont een testgeval, which Het uiteinde van de voeding (bron) is verbonden met het uiteinde van het stroomverbruik (spoelbak) via een kabel met eenElectronicMark, en de kabel is in een omgekeerde staat. Je kunt zien dat wanneer de kabel wordt aangesloten, een CCDraad aan het bronuiteinde wordt door een 1 naar een zeer lage spanning getrokkenKΩ weerstand van de kant van de VCONN.
De broneinde zal deze spanning detecteren en weten dat de kabel eenElectronicMark-chip, dus het zal de 5V VCONN verbinden met de CCDraad om stroom te leveren aan het interne circuit van de kabel.
De PD-communicatie die later plaatsvindt, omvat de communicatie tussen de bron en deElectronicMark (SOP of SOP genoemd), en de communicatie tussen de bron en de goot (SOP genoemd)
6. Dubbele rol van de stroomvoorziening
Sommige USB Type-C-apparaten kunnen zowel als bron als put worden gebruikt, en worden apparaten genoemd die dubbele rollen ondersteunen (Dual Role for Power, DRP). De CC1- en CC2-terminals van dit apparaat bevinden zich in een staat van afwisselend hoge en lage niveaus. Voor de interconnectie veranderen zodra de verbinding plaatsvindt, de CC-terminals van beide systemen, zoals getoond in de onderstaande figuur.
In dit geval wordt het DRP-apparaat aan de linkerkant als bron geselecteerd, en het DRP-apparaat aan de rechterkant als de spoelbak. Deze situatie kan ook worden omgekeerd, tenzij een DRP-apparaat als eerste is ingesteld op bron (bijvoorbeeld wanneer het wordt gevoed door een externe stroomadapter), of als eerste op sink staat (bijvoorbeeld wanneer het wordt gevoed door een batterij).
Schakel van stroomrollen kan ook plaatsvinden tijdens de verbinding, zolang een van de twee DRP-apparaten het verzoek om rolwisseling initieert. De volgende figuur toont het proces van zo'n rolwisseling.
.jpg)
.jpg)
.jpg)
.jpg)
---副本.png)
---副本.png)
 and How a Power Deliver 3_0 protocol works (4).jpg)
 and How a Power Deliver 3_0 protocol works (5).jpg)
 and How a Power Deliver 3_0 protocol works (6).jpg)
 and How a Power Deliver 3_0 protocol works (7).jpg)
 and How a Power Deliver 3_0 protocol works (1).png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
.png)
