USB-PD - Livrare energie USB
USB-PD este o specificație pentru încărcarea rapidă a dispozitivelor electronice prin liniile de transport ale curentului USB. USB-PD este independent de standardul USB actual. În spatele acestui lucru se află ideea unei surse de alimentare universale, potrivită pentru smartphone-uri, tablete și notebook-uri.
La smartphone-uri și tablete, încărcarea cu o sursă de alimentare prin USB este normală, chiar dacă poate dura puțin mai mult pentru tablete. Cu notebook-uri, încărcarea prin USB nu este practic posibilă. Cu USB Power Delivery, notebook-urile pot fi încărcate cel puțin teoretic și prin USB.
Prezentare generală: Alimentare prin USB
USB-ul furnizează dispozitive simple precum mouse-ul, tastatura și scanerul plat cu alimentare prin conexiunile prin cablu. În funcție de standard, puterea variază de la 500 mW, 2,5 la 4,5 și 7,5 wați. Din păcate, acest lucru este de obicei prea puțin pentru a furniza dispozitive USB cu suficientă putere. Prin urmare, multe porturi USB sunt operate în afara valorilor de performanță admise.
Pentru a rezolva problemele care apar cu sursa de alimentare, a fost lansată o specificație pentru alimentarea prin USB prin USB Power Delivery (USB-PD). Puteți furniza un dispozitiv cu până la 100 de wați de putere printr-un conector USB-C. De exemplu, pentru a încărca un notebook.
Prezentare generală: tensiune, curent și putere
| 5 volți | 0,1 A | 0,5 W |
| 5 volți | 0,5 A | 2,5 W. |
| 5 volți | 0,9 A | 4,5 W |
| 5 volți | 1,5 A | 7,5 W |
| 5 volți | 3 A | 15 W |
| 5-20 de volți | 5 A | 100 W |
Topologie USB PD
Pentru ca un smartphone să poată fi încărcat pe un notebook, și nu invers, există o direcție de flux definită, care funcționează indiferent de sistemul de operare și de starea de operare. Dispozitivele care sunt oprite pot fi, de asemenea, încărcate în acest fel.
În acest scop, USB-PD furnizează furnizori de energie electrică (furnizori), consumatori (consumatori) și dispozitive combinate. Ele pot fi distribuite liber într-un arbore USB. Direcția debitului de încărcare și puterea maximă a profilului sunt negociate individual pentru fiecare conexiune de cablu.
Pentru ca structura să funcționeze și cu dispozitive mai vechi, prizele USB-A sunt primii furnizori, iar prizele USB-B sunt consumatori. Dacă nimic nu se opune, direcția fluxului de încărcare se schimbă automat.
Cum funcționează USB-PD?
Unitatea de alimentare și dispozitivul final negociază combinația de tensiune și curent și, astfel, puterea (profilul). Unitatea de alimentare oferă combinațiile disponibile în acest scop, iar dispozitivul final selectează un profil adecvat din acestea. USB-PD ține cont de direcția de încărcare a dispozitivelor conectate.
Cu un cablu USB de tip USB-C, dispozitivele implicate negociază tensiunea de încărcare și curentul de încărcare prin canalul de control (CC) al conectorului USB-C.
Cu un cablu USB-C cu USB-PD, există un cip în conector care este marcat cu profiluri de încărcare adecvate. Proprietățile electrice ale cablului sunt luate în considerare.
Dacă cablul implicat nu participă la negocierea profilelor, deoarece este doar un simplu cablu, atunci nu vor fi transmise mai mult de 3 amperi pe acest cablu. Liniile scurte și groase indică cablurile de încărcare utilizabile.
Profiluri USB PD
| 5 V | 2 A | 10 W | Profil standard pentru punerea în funcțiune, dispozitive mobile mici, dispozitive finale, smartphone-uri, telefoane mobile etc. |
| 5 V | 2 A | 18 W | Tablete, notebook-uri mici, dispozitive de viitor |
| 12 V | 1,5 A | ||
| 5 V | 2 A | 36 W | Caiete mici, dispozitive mai mari |
| 12 V | 3 A | ||
| 5 V | 2 A | 60 W | Notebook-uri mari, hub-uri, stații de andocare |
| 12 V | 3 A | ||
| 20 V | 3 A | ||
| 5 V | 2 A | 100 W | Stații de lucru, hub-uri, stații de andocare |
| 12 V | 5 A | ||
| 20 V | 5 A |
Specificația prevede cinci profiluri în scopuri diferite. Profilul 1 corespunde unităților de alimentare de 10 wați de astăzi (5 V cu maximum 2 A) și este singurul profil care poate fi implementat cu cablurile USB obișnuite. Profilurile superioare necesită cabluri speciale care sunt proiectate pentru tensiuni și curenți mai mari.
În plus față de tensiunea standard de 5 volți, profilele 2 și 3 oferă, de asemenea, 12 volți cu maxim 3 A, profilurile 4 și 5 oferă și 20 de volți cu maxim 5 A (100 wați).
Notă: Un maxim de 3 amperi (la 5 volți) trec prin conectori micro-USB. Prin conectori de dimensiuni normale (mufe A și B) 5 amperi (la 5 volți). În gama de înaltă performanță, USB-PD necesită o conexiune USB-C la ambele capete ale cablului.
PPS - sursă de alimentare programabilă (USB-PD versiunea 3.0)
Pentru a menține timpul scurt de încărcare, fiecare producător important de smartphone-uri a implementat o funcție de încărcare rapidă. Pentru ca producătorii să nu fie nevoiți să-și dezvolte propria funcție de încărcare rapidă, există un supliment USB-PD pentru surse de alimentare USB-C certificate pentru încărcare rapidă.
USB Power Delivery Versiunea 3.0 este primul standard oficial de încărcare rapidă care poate înlocui soluții proprietare precum QuickCharge Qualcomm și Apple Lightning. Quickcharge 4.0 corespunde tehnic implementării USB-PD.
Cu USB-PD 3.0, profilurile de putere anterioare cu atribuirea fixă a tensiunii și curentului maxim vor fi înlocuite de reguli de alimentare flexibile. Cu cât este mai mare puterea nominală, cu atât mai multe combinații sunt posibile.
Sursa de alimentare programabilă, PPS, permite surselor de alimentare USB nu numai să furnizeze niveluri fixe de peste 5 volți, ci și să ruleze dinamic prin intervale largi de tensiune. Sursa de alimentare reglează tensiunea în trepte fine, după cum este necesar. Există un controler relativ prost în smartphone care se transformă într-un raport fix, prestabilit. Astfel de controlere sunt ieftine și, de asemenea, funcționează întotdeauna eficient la punctul de operare optim. Unitatea de alimentare determină continuu ce tensiune ar trebui să furnizeze.
Exemplul 1: o sursă de alimentare de 18 wați trebuie să livreze acești 18 wați ca o combinație de 9 volți și 2 amperi. Sau 5 volți cu până la 3 amperi.
Exemplul 2: o sursă de alimentare de 50 de wați poate furniza 5, 9 și 15 volți cu câte 3 amperi. În plus, 20 de volți cu până la 2,5 amperi.
Notă: Curenții de peste 3 amperi sunt posibili numai cu surse de alimentare de 20 V între 45 și 100 de wați.
Fără PPS, smartphone-ul trebuie să informeze activ sursa de alimentare ce combinație de tensiune și curent este necesară. În caz contrar, este utilizată extensia de specificații USB-BC (încărcare baterie) cu doar 5 V și 1,5 A. Inițial numai 500 mA erau permise cu USB 2.0. În practică, sursele de alimentare USB și adaptoarele gazdă nu au respectat niciodată specificațiile USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0 și USB-BC.
Probleme cu livrarea de alimentare USB
Alimentarea prin USB a fost întotdeauna problematică în trecut. Și asta nu se va schimba cu USB-PD. Pentru ca încărcarea rapidă cu USB-PD să funcționeze, sunt necesare stații de la distanță compatibile USB-PD, iar cablul trebuie să fie un cablu de alimentare adecvat.
Este dificil de evaluat cât de bine are succes negocierea tensiunii și curentului între dispozitive și cabluri de la diferiți producători. În practică, acest lucru eșuează din cauza unor lucruri foarte simple. Nu toate gazdele, perifericele, hub-urile și sursele de alimentare cooperează între ele. În special, sursele de alimentare și notebook-urile de la diferiți producători nu pot fi combinate în mod liber între ele.
În funcție de dispozitiv, sursă de alimentare și cablu, unele dispozitive se vor încărca, dar apoi doar încet. Fără o tensiune mai mare de 5 volți, este posibil doar un maxim de 15 wați. Cablul greșit este suficient pentru a limita încărcarea la doar 3 amperi. Este necesar un cablu USB activ cu componente electronice în conectorul USB-C pentru a putea trece mai mult de 3 amperi.
Pentru a înrăutăți lucrurile, specificațiile USB-PD conțin unele lacune, motiv pentru care în practică poate apărea un comportament ciudat. Specificația nu specifică modul în care dispozitivele ar trebui să se comporte atunci când furnizarea și cererea de energie electrică nu se potrivesc. De exemplu, nu este clar cum se comportă un notebook atunci când se încearcă încărcarea acestuia cu o simplă sursă de alimentare pentru smartphone.
Mai mult, rămâne deschis ce se întâmplă dacă există mai multe surse de tensiune într-o rețea USB. De exemplu, două surse de alimentare. Ar fi de conceput ca unul dintre pachetele de alimentare să fie ignorat. Cu toate acestea, detectarea inteligentă ar fi, de asemenea, concepută dacă o unitate de alimentare este scoasă și apoi alimentarea cu energie este extrasă din a doua unitate de alimentare. Presupunând o funcție de încărcare corespunzătoare, ambele surse de alimentare ar putea fi utilizate în paralel. Soluția este lăsată pe seama producătorilor.
O limită poate fi limita superioară de 100 de wați. De exemplu, atunci când un notebook de jocuri are nevoie de mai multă putere. În practică, aceste dispozitive necesită apoi o intrare de alimentare separată. Chiar dacă aceste dispozitive au prize USB-C.
Din păcate, aceste neconcordanțe înseamnă că producătorii trebuie să extindă specificațiile din proprie inițiativă și să utilizeze soluții proprii.