Como funcionam as portas de carregamento USB e de carregamento "inteligentes" (por exemplo, o PowerIQ da Anker)?

Engenheiro de software com um entendimento amador de EE aqui.

Ultimamente, tenho notado muitas alegações dos fabricantes de baterias USB de que suas portas são "inteligentes" e "identificam o dispositivo" para "fornecer a corrente máxima para o dispositivo". Uma análise superficial do assunto parece implicar que essa não é uma linguagem completamente de marketing, e na verdade há algo mais complicado acontecendo.

Não entendendo a química sutil das baterias de íon de lítio ou a natureza dos controladores de carga, eu acho que, para carregar uma bateria o mais rápido possível, você consumirá o máximo de corrente possível, limitando-a apenas às especificações da bateria. Este não deve ser o caso, pois está documentado que os dispositivos limitam o carregamento a 1A em alguns casos, quando certamente eles poderiam consumir mais. Por que é isso?

Se o consumo atual é tão controlado, o que está acontecendo com essas portas inteligentes para permitir que o dispositivo consuma mais corrente? Em uma página de produto de uma bateria Anker, eles afirmam que suas portas identificam o dispositivo e "falam seu idioma de carregamento exclusivo" (esse fraseado me deixa enjoado). Talvez eu não deva reagir tão duramente a essa frase - as linhas de dados USB são realmente usadas para negociar algum padrão de cobrança?

Obrigado!

Existem duas adições à especificação USB que permitem mais de 500mA de corrente.

especificação de carregamento da bateria usb 1.1 . Permite até 1.3A.

especificação de carregamento da bateria usb 1.2 (e isso ). Permite até 5A.

Resumo:

• USB 2.0 - BCS 1.1: corrente 1.3A, sem transmissão de dados.
• Corrente USB 2.0 - BCS 1.2: 5A com dados.
• Manuseio de corrente USB 3.0 - BCS 1.2: 5A, mas a corrente é limitada a 1.5A, sem dados.

Mais pode ser encontrado aqui

Edit: Às vezes, o fabricante não segue o padrão e usa algo proprietário. Às vezes, o "algo proprietário" seria apenas deixar os pinos de dados pairando no ar ou a uma certa voltagem e fornecer uma quantidade arbitrária de corrente ...

Na prática, os carregadores 'inteligentes' usam um chip especial chamado Controlador de porta de carga dedicada . Um controlador DCP pode funcionar como carregadores diferentes e escolhe o modo que parece funcionar melhor.

Isso ocorre porque os carregadores de parede comuns ("burros") usam as conexões de dados do USB para sinalizar de maneira estática e analógica o que eles são capazes. Carregadores 'inteligentes' podem fazer o mesmo, mas de uma maneira menos estática: eles observam o comportamento do dispositivo de carregamento e deduzem disso a configuração ideal - que eles podem emular.

Exemplos de chips controladores de porta de carregamento dedicados são o 'Controlador de porta de carregamento USB' da Texas Instruments TPS2510 , ' Emulador de adaptador / identificação de carregador de host USB Max14600 da série Maxim600 e' Emulador de porta de carregamento rápido Norelsys NS3601 '.

Uma imagem da folha de dados do TPS2513a (copyright TI):

Da mesma forma, o MAX14600 (copyright Maxim):

Você pode ver que as linhas de dados USB ('DP' e 'DM') possuem vários recursos configuráveis ​​e são controladas por alguma lógica 'inteligente'.

Alguma explicação

Diferentes dispositivos cobráveis ​​requerem diferentes tipos de carregadores. Isso ocorre em parte porque a especificação USB não especificou o comportamento de 'carregamento' inicialmente e em parte porque alguns fabricantes desejam que seus dispositivos carreguem apenas o mais rápido possível em suas próprias tomadas de parede. Além disso, um dispositivo pode não consumir mais corrente do que pode ser permitido , para evitar o risco de superaquecimento de uma fonte de energia projetada incorretamente.

Nota: a explicação abaixo ignora as tecnologias USB3, USB Power Delivery e Qualcomm Quick Charge, que complicam ainda mais as coisas (por exemplo, elas suportam o aumento da tensão acima de 5 volts).

Esses tipos de soquetes USB podem ser distinguidos:

• Porta USB comum (como em um PC). Isso é chamado SDP , Standard Downstream Port. Um SDP fornece até 100 mA e pode aumentar esse limite em até 500mA se o dispositivo conectado o solicitar adequadamente, e o host USB concorda que é possível e permitido.
  • Na prática, quase todos os SDPs fornecem 500mA, mesmo sem comunicação adequada. Aparelhos USB, como pequenos ventiladores e aquecedores de canecas, não se comunicam, mas ainda exigem mais de 100mA.
• Porta USB com capacidade de comunicação e funcionalidade adicional de carregamento. Isso é chamado CDP : Charging Downstream Port. Este pode fornecer até 1500mA. Os dispositivos a jusante que não se comunicam podem informar isso ao carregador, conectando as linhas de dados USB D + e D- com uma resistência ou com uma curta.
• O padrão chinês da indústria de telecomunicações YD / T 1591-2009 é anterior e inspirou as especificações do CDP. Ele especifica um curto entre D + e D-.
• Porta USB sem capacidade de comunicação (como em uma tomada). Isso é chamado de DCP : porta de carregamento dedicada. É basicamente um CDP sem os meios para conversar com o host USB (PC).
• Portas DCP que não seguem as especificações DCP (da sepcificação USB Battery Charging versão 1.2). Esses plugues de parede têm configurações variadas de resistores conectados às linhas de dados, resultando em tensões fixas que podem ser lidas pelo dispositivo de carregamento. A lista de tensões 'reconhecíveis' é muito longa, este é apenas um trecho:
  • Apple 0,5A (D + a 2V, D- @ 2V)
  • Apple 1A (2V / -2,8V)
  • Apple 2.1A (2.7V / 2.0V)
  • Apple 2,4 A (2,7V / 2,0V)
  • Sony (3.3V / 3.3V)
  • Muitos (incluindo Samsung) 2A (1,2V / 1,2V)

Carregadores 'inteligentes' - ou seja, os chips do controlador 'DCP dentro deles' - podem emular uma porta DCP padrão com valores variáveis ​​de resistores e também podem emular várias tensões DCP não padrão.

O molho secreto

Os fabricantes de chips não descrevem realmente como funciona sua lógica de 'detecção', mas a única opção que eles têm é monitorar o que o dispositivo de carregamento está fazendo nas linhas D + e D- e observar a corrente que está sendo consumida.

Isso sem dúvida requer muita pesquisa de tentativa e erro, e o algoritmo provavelmente é mantido como um segredo bem guardado.

Uma técnica que pode ser usada é alternar entre os estados emulados e observar a quantidade de corrente que é extraída. O estado com o maior consumo de corrente então é o 'melhor' e permanece ativo.

Nota

Não se confunda com o marketing dos fabricantes de carregadores, que afirma que os carregadores " fornecem a corrente máxima para o dispositivo". Uma tomada USB é uma fonte de tensão ; apenas controla a tensão e é o dispositivo de carregamento que 'decide' a quantidade de corrente que 'absorve' durante o carregamento.

Portanto, não há como um carregador 'forçar' uma corrente para um dispositivo que não a aceite, pelo menos não mantendo-se abaixo do máximo seguro de 5,1 Volts.

A única coisa acontecendo é alguns truques para fazer com que o dispositivo de carregamento acredite que está conectado ao carregador mais capaz, mais adequado e mais compatível possível.

Links adicionais

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB
• http://lygte-info.dk/info/USBinfo%20UK.html
• http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2514a-q1.pdf
• https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX14600-MAX14618.pdf
• http://www.norelsys.com/English/chanpinzhongxin/SMARTPOWER/2015/0601/123.html

Também sou engenheiro de software, mas parte do meu trabalho envolve a leitura dos documentos de especificação USB. Aqui está o que eu sei:

Existem dois protocolos oficiais para alimentação via USB. O primeiro, o BCD, foi lançado em 2007 e atualizado em 2010. Ele usa vários truques de linha de dados para identificar quanta energia o dispositivo a jusante pode afundar. Isso não precisa ser um aperto de mão USB completo. Por exemplo, um carregador dedicado se identifica como tal apenas colocando D + em D-. Isso indica que o dispositivo a jusante pode afundar até a corrente de carga máxima, que acredito ser de 1,5A. Você pode ler as especificações do BCD aqui .

O protocolo mais recente é o PD (Power Delivery), que é distribuído como parte da principal especificação USB . PD é realmente interessante. Ele permite que as informações de energia sejam trocadas pelas linhas de tensão, e não pelas linhas de dados, e pode suportar até 100W (20V / 5A). No entanto, aplicações de alta potência exigem que o cabo seja marcado eletronicamente para indicar que o cabeamento pode suportar alta tensão / alta corrente sem derreter. :-) Existem várias "marcações" definidas nas especificações, mas todas parecem envolver a queda de um resistor ou de um capacitor entre dois pinos no plugue.

Dito isso, a probabilidade de qualquer cabo ou carregador realmente implementar corretamente toda a especificação parece bem baixa. Você pode acompanhar as explorações de Benson Leung na Amazon.com para ver quantas maneiras os fabricantes encontraram para estragar tudo.

Não sei ao certo, mas acho muito provável que etiquetas de marketing como "PowerIQ" estejam indicando carregadores que tentam obter compatibilidade com o maior número possível de dispositivos e cabos, incluindo aqueles que são irremediavelmente fora do padrão. Infelizmente, não há uma boa maneira de dizer o quão perto um carregador específico chega desse ideal.

(tópico antigo, mas novas informações baseadas nas últimas especificações USB).

Como já mencionado, as novas especificações USB permitem uma tensão de carregamento superior a 5V, se o dispositivo solicitar.

Sob a extensão "USB Power Delivery" (PD) (USB PD rev. 3.0, versão 1.0a agora), até 5A a 5V, 9V, 15V ou 20V podem ser fornecidos ao dispositivo conectado, com um máximo de de 100W de origem. Existem muitas regras que o "dispositivo solicitante" deve seguir para esses casos.

Normalmente, isso é para notebooks ou outros dispositivos com contagens de células mais altas e / ou voltagens operacionais. Os cabos também devem ser projetados e especificados para lidar com essas condições.

(sim, sou EE ... há mais de 35 anos)

Partilho sua náusea nesse idioma, no entanto, concordo que provavelmente haja alguma verdade por trás desse assunto. Os dispositivos USB se declaram baseados em IDs de fornecedor, produto e dispositivo, para que o host possa reconhecer o que está sendo conectado e tratá-lo adequadamente (por exemplo, localizando o driver apropriado). Além disso, não sou especialista em baterias, mas fui exposto o suficiente para saber que as baterias de íon de lítio têm alguns requisitos de carregamento estranhos para evitar superaquecimento. Não é irracional pensar que um produto USB possa negociar um padrão de carregamento mais ideal, conforme descrito aqui, uma vez que faz interface com um driver ou produto personalizado do outro lado.

Um exemplo de um padrão de carregamento de íons de lítio que eu vi é a corrente constante até a tensão da bateria atingir 4,0V, seguida de tensão constante até a bateria atingir 4,2V. Talvez baterias diferentes tenham padrões diferentes (novamente, eu não sou especialista em baterias).

[...] tem realmente algo mais complicado acontecendo.

Sim. Em resumo, as portas inteligentes usam hacks de mecanismos de cobrança não padronizados para obter correntes ideais. A suposição comum de que todos os dispositivos USB baseiam seus protocolos de carregamento apenas na especificação USB ou na extensão BCS é falsa.

Muitos carregadores USB possuem apenas portas de pinos de dados flutuantes "burras" descritas pelo BCS, também conhecidas como DCPs, portas de carregamento dedicadas.

Uma porta inteligente pode atuar como uma porta burra (DCP) ou emular várias portas proprietárias, caso a especificação USB / BC não seja suportada ou ideal. Essa emulação pode falhar em certos cenários e causar problemas, e é por isso que cada marca de carregador inteligente tenta se distinguir em termos de confiabilidade, velocidade e compatibilidade. Torná-los pode envolver alguma engenharia reversa.

Idealmente, não seriam necessários carregadores 'inteligentes' e todos os dispositivos usariam o mesmo padrão de carregamento. Se não for um host / carregador, ele reconhece que um dispositivo pode:

• Carregue lentamente
• Não cobrar nada.
• Carregue na velocidade padrão da especificação USB (não no BCS) (ou seja, 5 unidades de energia para um dispositivo USB com potência total, 1 para baixa energia, 5 para uma conexão somente de energia não enumerada). Isso normalmente é mais lento que o máximo.
• Carregue na velocidade do BCS, então eles poderiam extrair até 5A de um DCP. Embora eu nunca tenha visto mais do que 3A anunciado para uma única porta. Isso ainda pode ser mais lento do que o que ele poderia fazer com seu próprio carregador.

[...] o que está acontecendo com essas portas inteligentes para permitir que o dispositivo fique mais atualizado? [...] as linhas de dados USB são realmente usadas para negociar algum padrão de cobrança?

Meio, depende de qual especificação de carregamento você está olhando. Acredito que a Apple usa as linhas de dados, mas nada de complexo acontece, elas estão definidas para 3V para indicar que é um carregador da Apple.

O DCP não é a única porta de carregamento descrita pelo BCS. Alguns (poucos) dispositivos preferem exigir enumeração (por exemplo, usando o handshake de pinos de dados) e, portanto, precisam de um CDP (porta de carregamento a jusante) que é mais complexo porque permite a transferência de dados além do carregamento. Suponho que uma porta que seja totalmente compatível com BCS, ou seja, possa alternar entre CDP e DCP, possa ser considerada 'inteligente', mesmo que não imite nenhuma outra tecnologia.

Eu acho que, para carregar uma bateria o mais rápido possível, você consumirá o máximo de corrente possível, [...] certamente eles podem consumir mais. Por que é isso?.

Correto, mas apenas se o carregador atender às especificações, caso contrário, acho que eles simplesmente não confiam nele. Ou talvez tenha a ver com concorrência e patentes, ou algoritmos que otimizam a vida útil da bateria. Eu acho que o como é mais interessante do que o porquê.

Também não sou um EE. (Também um engenheiro de software com um entendimento bem entendido de eletrônica de um hobby.)

Entendo que a convenção é que os dispositivos USB normais consumirão no máximo 500 mA, não mais. Mais alguma coisa é uma violação do padrão USB.

Carregadores USB "inteligentes" incluem lógica de estado sólido com chips de comunicação serial. Quando você conecta um dispositivo que deseja uma corrente mais alta, ele envia uma consulta à fonte de alimentação informando algo como "Quero 2 ampères. Tudo bem?" Se a fonte de alimentação for uma porta USB de despejo, ela não responde, de modo que o dispositivo não funciona ou extrai apenas os 500 mA padrão (e carrega muito mais lentamente.

Eu tenho um telefone Samsung S5 e uma Nota 10.1 (edição 2014). Eu tenho um medidor USB em linha que mede tensão, corrente e maH. Quando um desses dispositivos é conectado ao carregador OEM, a saída do carregador aumenta para 5,5 volts e a corrente de carga é de cerca de 1,6 amperes. Se eu tentar isso usando uma verruga de parede barata classificada em 1 amp, a tensão permanece em 5,0 e é carregada em 0,8 amperes. Eu também tenho vários carregadores alimentados por bateria. A maioria deles, embora com potência de 2 A ou mais, fornece apenas 5,0 volts e a corrente de carga permanece em torno de 0,8 A. A partir disso, concluo que o protocolo Samsung é para os dispositivos solicitarem o carregamento rápido por um dos meios mencionados acima, e que o carregador sinaliza que é capaz disso elevando sua saída para 5,5 volts.