Como projeto uma fonte de alimentação 2A ou mais para meus dispositivos USB de consumo?


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Entendo que muitos dos meus dispositivos de consumo carregados por portas USB podem cobrar a taxas mais altas que 0,5A. No entanto, nos testes, descobri que eles não consomem mais do que isso.

Configuração de teste

  • Eu tenho uma fonte de alimentação que produz entre 0 e 30 volts e 0 a 20 amperes.
  • Defino a voltagem para 5 volts e, em seguida, conectei um USB fêmea aos fios corretamente.
  • Quando conecto um Samsung Galaxy S4 Mini, ele puxa cerca de 0,44 amperes. É o mesmo com um Samsung Galaxy Tab Pro.
  • No entanto, quando conecto um iPad Air com um cabo elétrico oficial, ele puxa apenas 0,11 amperes.
  • Além disso, tentei conectar um smartwatch ZGPAX S28 e ele ainda tinha cerca de 0,44-0,45 amperes.

A fonte de alimentação é mais do que capaz de produzir o máximo de 2,1 amperes, então por que isso não ocorre pelo menos nos tablets?

O que preciso fazer na minha configuração de teste para convencer os dispositivos a consumir sua corrente máxima de carregamento?


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Leia isso. Mas primeiro pergunte a si mesmo: por que você deseja forçar a alimentação de 20A em um tablet?
Nick Alexeev

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A corrente de carga máxima é negociada por resistores nas linhas USB de dados e limitada pelo IC do controlador de carga no dispositivo.
Pjc50

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Não estou tentando forçar a alimentação de 20 amperes! Eu estou tentando alimentar 2.1 amps, mas o tablet não está aceitando isso da minha fonte de alimentação mesmo que faria a partir de uma maçã real ou fornecimento de energia Samsung
joshglen

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Além da negociação da taxa de carga que precisa ocorrer, você também precisa de cabos capazes de suportá-la - a maioria dos cabos USB tem bitola 28 e, dependendo do comprimento, terá uma queda considerável de tensão entre eles.
user2813274

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Essa pergunta envolve o uso de uma fonte de alimentação de laboratório, testando o consumo atual de um dispositivo e perguntando sobre os motivos subjacentes ao consumo da fonte de alimentação USB e à especificação USB. Este tópico está no tópico deste site e deve ser reaberto. Feito isso, posso adicionar uma resposta bastante abrangente que ajudará os futuros engenheiros eletrônicos a projetar fontes de alimentação USB para dispositivos de consumo, embora existam muitos outros que poderiam fazer o mesmo e me derrotar. As respostas existentes não são ruins, mas há mais.
Adam Davis

Respostas:


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A razão pela qual seus dispositivos Apple / Samsung não são mais atuais é simples. Isso ocorre porque há uma comunicação de dados adicional entre o dispositivo Apple / Samsung e suas fontes de alimentação dedicadas. Isso faz com que os dois dispositivos se reconheçam e concordem em usar uma corrente mais alta. O carregador define certas tensões nas linhas de dados USB e isso é reconhecido pelo telefone ou tablet.

Seu suprimento de 20 A não fornece essas tensões nas linhas da data, portanto, não "conversa" com o dispositivo Apple / Samsung, portanto, eles assumem que é um carregador "burro" normal e não consomem mais corrente do que o permitido pelo padrão USB que geralmente é de apenas 100 ou 500 mA

Para carregar um dispositivo apple, coloque essas tensões nas linhas de dados:

corrente desejada: 2.000mA D-: 2.0V D +: 2.75V

Como este circuito, para dispositivos apple em 2A.

Além disso, dependendo da carga da bateria, a corrente de carga também é limitada. Isso só será máximo quando a bateria estiver entre 30 e 70% carregada (esses números são apenas o meu palpite). Carregar com uma corrente alta faz mal à bateria quando ela está muito baixa ou quase cheia.

Fontes:

Adafruit: Os mistérios do carregamento de dispositivos da Apple

Voltaic: Escolhendo as tensões dos pinos USB


Pouca adição aqui: mesmo que o dispositivo fale com o suprimento (que geralmente é feito com resistores de configuração simples nos pinos de dados, você pode pesquisar no google, eles são simples de configurar). Não conheço um único dispositivo que desenharia mais de 0,5A. 1A é bastante raro, na verdade, então você está realmente na especificação, lá.
Alzurana

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Talvez você quis dizer 0,1 A em vez de 1 A? Acredito que 0.1A é a corrente máxima permitida através de USB (na especificação) sem enumeração.
295:

@ W5VO de fato, meu número era muito alto, mudei. Mas, de acordo com a Wikipedia, o máximo é 0,5 A. Não havia menção a 0,1A, mas talvez eu tenha ignorado isso.
Bimpelrekkie

@Alzurana, eu tenho um tablet que extrai 0,8A do USB, mas apenas se os datalines estiverem em curto. Eu também tenho um smartphone que consumirá mais de 0,5A quando os dados estiverem em curto. Quando os datalines estão desconectados, todos consomem menos que 0,5A.
Bimpelrekkie

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Um dispositivo não enumerado só pode consumir 100mA. Uma vez enumerado em uma porta regular, é limitado a quanto ele solicitou, até 500mA. As portas do dispositivo de carregamento podem ter limites mais altos além disso.
Nick Johnson

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Aqui está um artigo mais completo que lista os conhecidos esquemas proprietários de identificação D + / D- do divisor de resistores para carregadores de alta potência. A essência é:

2.0V / 2.0V - baixa potência (500mA)

2.0V / 2.7V - Apple iPhone (1000mA / 5 watts)

2,7V / 2,0V - iPad da Apple (2100mA / 10 watts)

2.7V / 2.7V - 12 watts (2400mA, possivelmente usado pelo Blackberry)

D + / D- em curto - padrão USB-IF BC 1.2

1.2V / 1.2V - dispositivos Samsung

Os valores da Samsung coincidem com o que é indicado nesta [fonte original] esquemática via divisor de resistor de 10k / 33k para carregadores de tablet Galaxy 2A.

Como eu disse em meus outros comentários, há também são chips off-the-shelf que implementam alguns destes, por exemplo MAX14667 , TPS2513 , da Microchip USB2534 ou CYUSB3324 . A folha de dados deste último também fornece mais detalhes sobre dispositivos Samsung:

Os dispositivos Samsung seguem vários métodos de carregamento. Alguns dispositivos Samsung (Samsung Galaxy Tablets) usam um método de carregamento proprietário no qual os pinos D + e D- são influenciados pelo mesmo potencial (~ 1,2 V). Os dispositivos da série Samsung Galaxy S (S3, S4) seguem o padrão de carregamento USB-IF BC v1.2 para o modo de operações DCP, CDP e SDP.

O USB-IF BC 1.2 possui estes requisitos para o modo DCP:

  • As linhas de dados D + e D– são conectadas em curto com uma impedância de série máxima de 200 Ω.

  • Não deve cortar a fonte de alimentação até a tensão cair abaixo de 2V ou a corrente exceder 1,5A

  • O consumo máximo de corrente absoluto permitido, mas não obrigatório, é o limite do conector USB 2.0, até 5A

Além disso, a nota do Cypress diz que o 2.7V / 2.7V -> 2.4A é [também] usado pela Apple. A discussão nos fóruns de TI nos quais os funcionários da TI entraram em contato (para o seu TPS2513A) indica o mesmo. Um funcionário da TI disse :

A partir do iPad3, a bateria de 42Whr é usada, o tempo de carregamento longo começa a se tornar um problema. Compare o tempo de carregamento, da bateria 0% a 100%, o carregador 2.1A leva 6 horas, o carregador 2.4A leva 5 horas e 40 minutos. Então, 20 minutos mais rápido, mas não muito.

Acreditamos que a principal razão pela qual o carregador da Apple release 2.4A é para uma melhor experiência do usuário ao carregar e reproduzir ao mesmo tempo. Ao jogar videogames de alta qualidade, como o Infinity II e carregar ao mesmo tempo, o aumento da porcentagem da bateria do meu iPad3 é muito muito lento; por exemplo, 30 minutos depois, apenas aumentamos 2%, o que me deixa louco.

Ao usar o carregador 2.4A, o status da bateria aumenta mais rapidamente, pelo menos eu me sinto normal, ok com ele.


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A fonte de alimentação é mais do que capaz de produzir o máximo de 2,1 amperes, então por que isso não ocorre pelo menos nos tablets?

O padrão USB não permite que mais de 500mA sejam extraídos de uma porta USB 1 padrão. Até o dispositivo estabelecer comunicação com o dispositivo host USB, não há como saber quanta corrente está disponível.

O padrão USB realmente exige que os dispositivos consigam não mais que 100mA antes de se comunicar com o host e solicitar mais energia. Isso é importante porque um hub USB padrão sem energia consumirá 500mA - 100mA para si e 100mA para cada uma de suas portas. Isso significa que um hub não energizado não pode e não deve tentar fornecer 500mA a um dispositivo USB.

O padrão foi projetado desta maneira para suportar uma variedade de uso.

Obviamente, apenas a Apple segue o padrão e consome apenas 100mA antes de solicitar mais energia.

A realidade é que poucas portas USB são incapazes de fornecer 500mA sem serem solicitadas. Muitos nem sequer se preocupam em monitorar o consumo atual e desligar dispositivos USB não compatíveis. É quase sempre seguro extrair 500mA de uma porta USB sem solicitar a porta do host para obter o máximo de energia.

As especificações USB mais recentes permitem portas de maior potência. Novamente, porém, isso deve ser solicitado para estar em conformidade com a especificação.

Normalmente, os carregadores USB não são inteligentes e não implementam uma porta host USB completa. Eles usam alguns atalhos - geralmente usando resistores nas linhas D + e D- para sinalizar ao dispositivo USB que o carregador é capaz de obter mais energia sem uma solicitação oficial.

Além disso, alguns dispositivos, como a linha Apple iOS, também monitoram a voltagem fornecida e reduzem o consumo de corrente com base na queda de voltagem. Por exemplo, se um carregador relatar que pode fornecer 2A, mas a tensão não permanecer em 5V, o dispositivo iOS consumirá menos que a corrente máxima. Não carregará abaixo de 4.5V, nem acima de 5.5V. Portanto, o carregador não apenas apresenta os sinais corretos para indicar que a corrente total está disponível, mas também mantém uma boa regulação no consumo máximo de corrente.

Lembre-se de que esse é um recurso de segurança. Não apenas o dispositivo de carregamento precisa fornecer a corrente, mas o cabo USB usado precisa carregá-lo. Pode não parecer muita corrente, mas existem muitos cabos USB finos e muito baratos no mercado que aquecem visivelmente com 2A fluindo através de seus condutores de tamanho menor. Coloque isso embaixo de um travesseiro inflamável e deixe o calor acumular, e você poderá encontrar mais do que isolamento derretido.

A Apple não apenas verifica o carregador, mas também o cabo (usando seus chips proprietários dentro do conector do cabo) para evitar a responsabilidade por possíveis perdas associadas a carregadores e fiação perigosos.

Entretanto, enquanto você estiver usando o cabo que acompanha o dispositivo, você não deverá ter nenhum problema com esse aspecto e poderá se concentrar na sinalização do carregador.

O que preciso fazer na minha configuração de teste para convencer os dispositivos a consumir sua corrente máxima de carregamento?

O padrão da Apple foi adotado livremente por outros, ou é aceito por outros, e consiste em colocar níveis específicos de tensão nas linhas D- e D + a uma corrente baixa. Colocar aproximadamente 2.0V na linha D- e 2.75V na linha D + sinalizará que 2A (10W) está disponível para carregamento. Isso pode ser feito com resistores simples:

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Se você seguir este circuito na sua configuração, deverá descobrir que pelo menos os dispositivos Apple carregam com 2 ou mais amperes e pode encontrar outros dispositivos também com essa taxa.


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Você pode tentar usar o controlador de porta de carregamento dedicado .

De acordo com as especificações, ele pode detectar os seguintes esquemas de cobrança:

  1. DCP do divisor 1, necessário para aplicar 2 V e 2,7 V nas linhas D + e D– respectivamente (TPS2513, TPS2514)
  2. Divisor 2 DCP, necessário para aplicar 2,7 V e 2 V nas linhas D + e D– respectivamente (TPS2513, TPS2514)
  3. Divisor 3 DCP, necessário para aplicar 2,7 V e 2,7 V nas linhas D + e D- respectivamente (TPS2513A, TPS2514A)
  4. BC1.2 DCP, necessário para encurtar a linha D + à linha D–
  5. Padrão chinês de telecomunicações YD / T 1591-2009 em curto, necessário para encurtar a linha D + à linha D–
  6. 1,2 V nas linhas D + e D–

Tem certeza de que a descrição no ponto 1 está correta? Você parece ter 2 Vduas vezes, junto com 2.7 V.
user2943160

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@ user2943160 Obrigado. Erro de copiar / colar. Corrigido.
bcelary

Ponto 4, BC1.2 DCP requer uma resistência entre D + e D-. Pode ser curto (resistência de 0 Ohm), mas também pode ser maior - até 200 Ohm. Não sei por que esse anser não é mais votado, porque é o melhor conselho.
Florisla # 8/16

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20 amperes é o que o suprimento é capaz de fornecer, e o que quer que você conecte precisa do que é necessário a partir de 20 amperes.

Por exemplo, se você tiver o suprimento configurado para uma saída de 5 volts e colocar um resistor de 5 ohms em sua saída, ele fornecerá 1 ampere ao resistor, porque é isso que o resistor deseja com 5 volts.

Você também pode colocar vinte resistores de 5 ohms na fonte, em paralelo, e ele fornecerá 1 ampere a cada um deles por um total de 20 amperes.


Eu não preciso de 20 amperes! Eu só quero o 2.1 que é mais do que capaz de entregar. Gostaria de saber o que está limitando essa corrente da minha fonte de alimentação, mas não de um carregador real de maçã ou samsung.
joshglen

Como outros comentaram tão apropriadamente, é o intercâmbio de dados entre o objeto e seu carregador que permite que o objeto solicite muita corrente para carregar rapidamente. Porém, porém grande: quando você desconecta o telefone da mãe e o conecta ao USB, todas as regras mudam e, independentemente do que o telefone solicite, o USB dará o que bem quiser.
EM Fields

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Um dispositivo USB consome apenas a quantidade de corrente que sabe que pode consumir definitivamente sem causar danos ao carregador. Os dispositivos Apple e Samsung não têm idéia do quanto é seguro extrair do seu carregador, portanto, eles recorrem ao padrão USB. O padrão USB diz "0,5 ampères é seguro". (Se o carregador se identificar como um carregador USB, mas não puder suportar 0,5 Ampere, isso não é culpa do telefone, mas o problema do carregador).

A única maneira de convencer o dispositivo a obter mais corrente é implementar a comunicação no carregador que aconteceria entre um dispositivo Apple e um carregador Apple, ou um dispositivo Samsung e um carregador Samsung. Não é muito difícil, e você pode comprar carregadores de qualidade decente a preços razoáveis. Seu carregador não faz isso, então 0,5 A é o limite.


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Todos os dispositivos USB devem se comportar quando conectados a uma porta de dados USB, que fornecerá 100mA por padrão, 500mA quando "solicitados". É isso que você está recebendo.

Se você conectar os sinais Data + e Data- por meio de um pequeno resistor (para proteção .. algo em torno de 100 ohms), estará em conformidade com a especificação USB Battery Charging, que permite que um dispositivo consuma no mínimo 1,5A.

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