Noções básicas sobre os requisitos atuais de irrupção USB

Em relação a uma pergunta anterior , estou tentando entender os requisitos do USB 2.0 para corrente de irrupção. Eu entendo a idéia básica, mas alguns detalhes ainda não estão claros para mim. A especificação afirma, em parte, que:

A carga máxima (CRPB) que pode ser colocada na extremidade a jusante de um cabo é 10 μF em
paralelo com 44 Ω. A capacitância de 10 μF representa qualquer capacitor de derivação conectado diretamente através das linhas VBUS na função, além de quaisquer efeitos capacitivos visíveis através do regulador no dispositivo. A resistência de 44 represents representa uma unidade de carga de corrente consumida pelo dispositivo durante a conexão.

Se for necessária mais capacitância de desvio no dispositivo, ele deverá incorporar alguma forma de limitação de corrente de surto VBUS, de modo que corresponda às características da carga acima.

O USB-IF também fornece uma descrição de um teste de corrente de irrupção:

A corrente de irrupção é medida por um mínimo de 100 milissegundos após a conexão. A conexão é definida no momento em que o VBus e os pinos de aterramento do plugue se acopla ao receptáculo.
Qualquer corrente que exceda 100 mA durante o intervalo de 100 ms é considerada parte do evento atual de irrupção. A corrente de irrupção é dividida em regiões. Uma região é um intervalo em que a corrente excede 100 mA até o momento em que a corrente cai abaixo de 100 mA por pelo menos 100 µs. Pode haver várias regiões de irrupção durante o período de 100 ms. A aprovação / reprovação é determinada pela região com a taxa mais alta.

Isso é explícito na medida em que vai, mas fornece apenas um tempo mínimo de medição e não especifica qual algoritmo é aplicado às regiões de irrupção para chegar a uma decisão de aprovação / reprovação. Penso que a ideia é que, durante as regiões em que a corrente excede 100 mA, a corrente é integrada para obter a carga total transferida durante essa janela, e a carga total não deve ser maior do que a que você obteria com os 10 uF // 44 Ω carregar. Segundo uma fonte , isso seria 5V * 10 µF = 50 µC. É aí que meu entendimento fica um pouco instável.

Para me ajudar a entender, analisei o seguinte circuito :

[A resistência R1 não faz parte de nenhuma especificação, mas preciso fazer as contas e posso deixá-la em zero, conforme necessário.] A corrente começa em e decai exponencialmente em com constante de tempo .$V_1/R_1$$V_1/(R_1 + R_2)$$(1/R_1 + 1/R_2)^{-1} C_1$

A carga total transferida no momento será$t$

No limite em que chega a zero, isso simplifica a$R_1$

Uma parte que não entendo é que, com 5 volts do barramento USB e a carga prescrita de 44 Ω, sempre haverá uma corrente de 5V / 44 Ω = 114 mA, que é mais do que o limite de 100 mA descrito no USB citado -IF teste, e também mais do que a carga máxima de uma unidade (ou seja, 100 mA) permitida para uma função USB de baixa potência (especificação USB 2.0, seção 7.2.1). No caso limitador R1 = 0, essa corrente consumirá tanta carga quanto o capacitor (ou seja, 50 µC) em R2 * C1 = 440 µs.

Portanto, a pergunta, se você ainda está lendo, é o que significa, precisamente, "[corresponder] às características da carga acima" (ou seja, 44 Ω paralela a 10 µF) e como a irrupção USB-IF descrita teste atual decide quanta corrente é demais?

Obrigado.

A resposta é: ninguém sabe.

Bem, alguém sabe, mas o teste de aprovação / reprovação de inrush é considerado informações proprietárias e como essa determinação é feita não é publicada pelo USB-IF, por razões que eles devem saber. Eu sei que não é uma resposta muito satisfatória, mas essa é a verdade simples.

Para citar a página de testes de conformidade elétrica (o texto está em vermelho para que você saiba que eles são ainda mais graves do que o nível normal de gravidade USB-IF):

NOTA: Algumas das seguintes soluções de teste aprovadas usam software proprietário para avaliar a qualidade do sinal e irrupar os eventos atuais. A única ferramenta de análise oficial para certificar a qualidade do sinal e a corrente de irrupção é o USBET20 publicado pelo USB-IF. Certifique-se de executar a qualidade do sinal capturado e transmitir dados de teste atuais através do USBET para uma avaliação oficial da medição.

Portanto, eles estão dizendo explicitamente que você não pode fazer a determinação usando uma captura de forma de onda sozinha ou o recurso "USB inrush test" de vários osciloscópios (nunca vi isso, então não devo usar osciloscópios caros o suficiente) não é válido e a única maneira de atender a conformidade atual de irrupção é se USBSET20 indicar que seu dispositivo atende à conformidade. Ele captura dados de captura de forma de onda .tsv / .csv e faz justiça à conformidade com USB (no formato html).

Na página de download das ferramentas USB:

O USBET20 (8MB, agosto de 2016) é uma ferramenta de análise de sinal elétrico independente para teste de conformidade com USB. O USBET20 é a ferramenta oficial de análise elétrica de conformidade que realiza avaliações de aprovação / reprovação da qualidade do sinal e dos dados de corrente de irrupção capturados em um osciloscópio.

Para elaborar mais, eles apenas informam o tempo mínimo de medição, porque é tudo o que você precisa saber. Você não precisa saber como é feita a determinação real de aprovação / reprovação e, de fato, eles não estão dizendo. O USB-IF está disposto a dizer se você está em conformidade, mas eles não estão dizendo a ninguém como eles realmente determinam isso (pelo menos para a corrente de irrupção).

Essa carga máxima a jusante é uma especificação relevante para um dispositivo a montante (porta ou hub host), ou seja, ao projetar um desses e NÃO um periférico, esse hub ou porta deve suportar uma carga máxima a jusante de um resistor de 44Ω e um Capacitor de 10µF em paralelo. E você está absolutamente correto - isso pode levar até 25mA acima do limite de 100mA nas condições mais extremas. Como tal, um dispositivo a montante deve ser capaz de lidar com essa carga ("manipulação", o que significa que não deve sofrer mais do que uma queda de 330mV) que está sendo conectada.

No entanto, se o seu periférico fosse uma carga assim, ele não passaria em conformidade, pois consumiria mais de 100mA em parte (essencialmente todos) da faixa de tensão possível. Essa carga é entendida inteiramente como o cenário de pior cenário para dispositivos upstream e é usada para testá-los. Não é relevante para um teste de conformidade da corrente de irrupção periférica.

O que é relevante é que não é realmente sobre o atual. É sobre carga, então você já está no caminho certo com isso. Especificamente, trata-se da queda de tensão. Uma porta upstream em um hub deve ter pelo menos 120µF de capacitância ESR muito baixa em seu VBUS de saída, o barramento alimentando periféricos downstream.

Um host ou hub alimentado com a pior tensão de saída (4,75 V), passando pelos conectores mais ruins, o cabo mais ruim, até um hub sem energia que também usa os conectores mais ruins, depois esse hub tem ainda a mais baixa tensão de entrada VBUS para a saída VBUS / queda de tensão a jusante (350mV), a tensão será de 4.4V. Esse 4.4V, conectado através de conectores ruins a um periférico ruim, pode fazer com que ele veja a tensão mínima absoluta real para um dispositivo de baixa energia: 4,35V. Na página 175 da especificação USB 2.0:

Vamos fazer algumas contas. um hub a montante não energizado deve ter 120 µF de capacitância a jusante. Em 4.4V * 120µF, são 528µC de carga. Um dispositivo conectado possui um capacitor de 10µF. Se você fingir que não há carga ou energia estática, apenas um capacitor carregado na porta e um de 10µF não carregado no periférico, a carga será distribuída não até que o outro esteja cheio, mas até que a tensão entre eles seja igual. A carga é conservada; portanto, o ponto em que as voltagens dos dois capacitores serão iguais, considerando 528µC de carga inicial, é aproximadamente 4,06V. Ou 40,6 µC transferidos. Adicione as resistências do conector e o capacitor a jusante nem será capaz de carregar tanta carga durante a irrupção.

Então, literalmente, o único fator importante é que ele não excede 10µF. A corrente não é realmente o que importa, é como a capacidade da porta a jusante do hub pode ser esgotada sem diminuir mais de 330 mV durante o transiente, antes que coisas como a indutância do cabo dê tempo para a potência real do host recuperar o atraso. E um capacitor de 10µF é o valor disponível mais próximo que não fará isso.

Observe também que não há limite de capacitância. Você pode ter 1F de toda a capacitância cerâmica em um dispositivo a jusante, desde que dividido em seções de 10µF e apenas uma delas será conectada no acessório. Depois que o dispositivo estiver conectado, você deverá permanecer abaixo de qualquer etapa de 10 µF , mas poderá gradualmente "on-line" mais capacitância em incrementos de 10 µF. O ponto principal é evitar esse transitório.

E sim, isso significa que um periférico de baixa potência não deve apenas atingir 4,35V, mas também suportar um transiente de queda de tensão de 330mV, como quando algo novo está conectado a um hub. Isso também significa que, teoricamente, se você conectar dois dispositivos APENAS na hora certa, de modo a ser quase simultâneo, poderá interromper a operação de outros dispositivos no hub não energizado. Tenho certeza de que os robôs, com seus HPETs, explorarão essa falha crítica em nossa especificação de barramento USB para provocar nossa queda.

Agora, provavelmente existem outros aspectos sutis, como taxas dI / dT ou qualquer outra coisa. Quem sabe exatamente o que é incorporado no teste de reprovação? Considerando que eles têm um instalador inteiro de 7,5 MB para o programa que executa esse teste, provavelmente é seguro assumir que isso não é algo simples. Mas lembre-se de que você está tentando evitar o esgotamento dos reservatórios de capacitores a montante com sua própria capacidade a jusante, e isso é realmente tudo o que existe. Contanto que você não cause a falha de outros dispositivos devido à transitória de tensão que seu periférico pode causar, você estará bem. E, na verdade, isso significa apenas manter a capacitância vista no anexo ou em outro estado de energia alterado para 10µF. Na verdade, seria melhor tentar ter menos do que isso, 10 µF é o máximo. Eu não' não sei onde começou a idéia de que o máximo absoluto deveria ser a capacitância "padrão" iniciada, mas os bons engenheiros sabem que não devem procurar as classificações máximas. Sempre subestimar. Eu gosto de um bom capacitor de 4,7µF. Se você precisar de mais dissociação, tudo o que você precisa fazer não é conectá-lo diretamente ao VBUS e limitá-lo a 100 mA, e você estará dourado. Mas você pode exceder 100mA - desde que apenas 40,6µC de carga sejam transferidos durante uma região.

Não se preocupe com a corrente de irrupção. O teste de corrente de irrupção não é realmente sobre corrente de irrupção.

O teste de irrupção é especificado nas Atualizações de conformidade USB-IF, http://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45 .

A corrente de irrupção é medida por um mínimo de 100 milissegundos após a conexão. A conexão é definida no momento em que o VBus e os pinos de aterramento do plugue se acopla ao receptáculo. Qualquer corrente que exceda 100 mA durante o intervalo de 100 ms é considerada parte do evento atual de irrupção. A corrente de irrupção é dividida em regiões. Uma região é um intervalo em que a corrente excede 100 mA até o momento em que a corrente cai abaixo de 100 mA por pelo menos 100 µs. Pode haver várias regiões de irrupção durante o período de 100 ms. A aprovação / reprovação é determinada pela região com a taxa mais alta.

A aprovação / reprovação é de 50 uC ou 5V x 10uF (o @metacolin levou em consideração a queda, mas o USB não).

Você pode aproximar a irrupção observando uma captura de escopo da corrente e calcular a área (i * dt) acima de 100 mA para cada região e verificar a região do pior caso nos 100 ms após a conexão.

O USBET faz o cálculo com base nos dados .csv.

A corrente de pico real por si só não é relevante.

Esta é uma especificação para hub USB ou adaptador de host. O modelo da caixa preta representa uma carga típica para testes de sobretensão, no entanto, a especificação requer apenas um limite mínimo de 1uF no periférico, 10uF é considerado a carga de valor padrão. Como os capacitores são de todos os tipos com ESR tão baixo quanto 10mΩ, o aumento será limitado pelo ESR da tampa e pela resistência do cabo de 1 ou 1,5m. Se o cabo e os conectores foram negligenciados ou 0 Ω, em teoria, pode haver um surto de 500A = 5V / 0,01Ω ESR.

Na prática, será muito menor, mas o ponto é que o host deve ser capaz de impedir uma condição de subtensão, independentemente da ESR do limite.

Como isso é feito, depende do designer.

Então sua pergunta ...

como o teste de corrente de irrupção USB-IF descrito decide a quantidade de corrente em excesso?

Resposta: Mantendo a tensão do host dentro da especificação de tensão, para que outras portas não apresentem uma condição fora da especificação, devido a um surto de corrente de irrupção de plug-in quente. Essa é a intenção deste teste.

Além disso, se o teste não detectar surtos> 100mA no teste da caixa preta, poderá falhar na detecção de um dispositivo inserido a quente com carga mínima de 1uF. Portanto, existe um aumento mínimo esperado e nenhum pico máximo, mas existe uma duração máxima.