Làm thế nào để sạc USB và các cổng sạc thông minh của người dùng (ví dụ như PowerIQ của Anker) hoạt động?

Kỹ sư phần mềm với sự hiểu biết về sở thích của EE ở đây.

Gần đây tôi đã nhận thấy rất nhiều tuyên bố từ các nhà sản xuất bộ pin USB rằng các cổng của họ là "thông minh" và "nhận dạng thiết bị" để "cung cấp dòng điện tối đa cho thiết bị." Một cái nhìn khó hiểu về vấn đề này dường như ngụ ý rằng đây không hoàn toàn là ngôn ngữ tiếp thị và thực sự có một điều gì đó phức tạp hơn đang diễn ra.

Không hiểu về hóa học tinh tế của pin lithium-ion hoặc bản chất của bộ điều khiển sạc, tôi đoán rằng để sạc pin càng nhanh càng tốt, bạn sẽ rút ra càng nhiều dòng điện càng tốt, chỉ giới hạn ở thông số kỹ thuật của pin. Đây không phải là trường hợp, vì nó được ghi nhận rằng các thiết bị giới hạn sạc của họ trong 1A trong một số trường hợp, khi chắc chắn họ có thể rút thêm. Tại sao lại thế này?

Nếu việc rút thăm hiện tại được kiểm soát như vậy, điều gì đang xảy ra với các cổng thông minh này để cho phép thiết bị vẽ thêm hiện tại? Từ một trang sản phẩm cho pin Anker, họ tuyên bố các cổng của họ xác định thiết bị và "nói ngôn ngữ sạc độc đáo của nó" (cụm từ đó khiến tôi buồn nôn). Có lẽ tôi không nên phản ứng gay gắt với cụm từ đó - các dòng dữ liệu USB có thực sự được sử dụng để đàm phán một số kiểu sạc không?

Cảm ơn!

Có hai bổ sung cho đặc điểm kỹ thuật USB cho phép dòng điện hơn 500mA.

Đặc điểm kỹ thuật sạc pin usb 1.1 . Cho phép lên tới 1.3A.

đặc điểm kỹ thuật sạc pin usb 1.2 (và cái này ). Cho phép lên tới 5A.

Tóm lược:

• USB 2.0 - Dòng điện BCS 1.1: 1.3A, không truyền dữ liệu.
• USB 2.0 - BCS 1.2: 5A hiện có dữ liệu.
• USB 3.0 - Xử lý hiện tại BCS 1.2: 5A nhưng hiện tại giới hạn ở 1.5A, không có dữ liệu.

Nhiều hơn có thể được tìm thấy ở đây

Chỉnh sửa: Đôi khi nhà sản xuất không tuân theo tiêu chuẩn và sử dụng thứ gì đó độc quyền. Đôi khi, "thứ gì đó độc quyền" sẽ chỉ để các chân dữ liệu treo trong không khí hoặc ở một điện áp nhất định và sau đó cung cấp một lượng dòng điện tùy ý ...

Trong thực tế, bộ sạc 'thông minh' sử dụng một con chip đặc biệt gọi là Bộ điều khiển cổng sạc chuyên dụng . Bộ điều khiển DCP có thể hoạt động như các bộ sạc khác nhau và chọn chế độ có vẻ hoạt động tốt nhất.

Đó là bởi vì các bộ sạc tường thông thường ('câm') sử dụng các kết nối dữ liệu của USB để báo hiệu theo cách tương tự tĩnh mà chúng có khả năng. Bộ sạc 'Thông minh' có thể làm tương tự, nhưng theo cách ít tĩnh hơn: họ xem hành vi của thiết bị sạc và khấu trừ từ thiết lập lý tưởng đó - sau đó họ có thể mô phỏng.

Ví dụ về các chip điều khiển cổng sạc chuyên dụng là sê-ri 'Bộ điều khiển cổng sạc USB' của Texas Cụ TPS2510 , sê-ri 'Bộ nhận dạng bộ điều hợp / bộ sạc USB' của Bộ công cụ Maxim 'và Bộ điều khiển cổng sạc nhanh USB của Norelsys NS3601 '.

Một hình ảnh từ bảng dữ liệu TPS2513a (bản quyền TI):

Tương tự, MAX14600 (bản quyền Maxim):

Bạn có thể thấy rằng các dòng dữ liệu USB ('DP' và 'DM') có một số tài nguyên có thể định cấu hình trên chúng và chúng được điều khiển bởi logic 'thông minh'.

Một số giải thích

Các thiết bị có thể sạc khác nhau đòi hỏi các loại bộ sạc khác nhau. Điều này một phần là do thông số kỹ thuật USB ban đầu không chỉ định hành vi 'sạc' và một phần vì một số nhà sản xuất muốn thiết bị của họ chỉ sạc nhanh nhất trên phích cắm trên tường của chính họ. Ngoài ra, một thiết bị có thể không rút ra nhiều dòng điện hơn mức mà nó có thể cho phép , để tránh nguy cơ quá nhiệt một nguồn điện được thiết kế không chính xác.

Lưu ý: phần giải thích bên dưới bỏ qua các công nghệ USB3, USB Power Delivery và Qualcomm Quick Charge, những vấn đề phức tạp hơn nữa (ví dụ: chúng hỗ trợ tăng điện áp trên 5 Volt).

Những loại ổ cắm USB có thể được phân biệt:

• Cổng USB thông thường (như trên PC). Đây được gọi là SDP , Cổng hạ lưu tiêu chuẩn. SDP cung cấp tới 100 mA và có thể tăng giới hạn lên tới 500mA nếu thiết bị được kết nối yêu cầu và máy chủ USB đồng ý rằng điều đó là có thể và được phép.
  • Trong thực tế, gần như tất cả các SDP cung cấp 500mA ngay cả khi không có giao tiếp thích hợp. Các thiết bị USB như quạt nhỏ và máy sưởi cốc không giao tiếp, nhưng vẫn cần nhiều hơn 100mA.
• Cổng USB với khả năng giao tiếp và chức năng sạc bổ sung. Đây được gọi là CDP : Sạc cổng hạ lưu. Điều này có thể cung cấp lên đến 1500mA. Các thiết bị hạ nguồn không giao tiếp có thể cho phép điều này biết với bộ sạc bằng cách kết nối các đường dữ liệu USB D + và D- với điện trở hoặc ngắn.
• Tiêu chuẩn ngành công nghiệp viễn thông Trung Quốc YD / T 1591-2009 có trước và truyền cảm hứng cho thông số CDP. Nó chỉ định một khoảng ngắn giữa D + và D-.
• Cổng USB không có khả năng giao tiếp (chẳng hạn như trong phích cắm trên tường). Đây được gọi là DCP : Cổng sạc chuyên dụng. Về cơ bản, đó là CDP mà không có phương tiện để nói chuyện với máy chủ USB (PC).
• Các cổng DCP không tuân theo thông số kỹ thuật DCP (từ phiên bản tách biệt sạc pin USB phiên bản 1.2). Các phích cắm trên tường này có các thiết lập khác nhau của các điện trở được kết nối với các đường dữ liệu, dẫn đến điện áp cố định có thể được đọc bởi thiết bị sạc. Danh sách các điện áp 'dễ nhận biết' rất dài, đây chỉ là một đoạn trích:
  • Táo 0,5A (D + ở 2V, D- @ 2V)
  • Táo 1A (2V / -2.8V)
  • Táo 2.1A (2.7V / 2.0V)
  • Táo 2.4 A (2.7V / 2.0V)
  • Sony (3,3V / 3,3V)
  • Nhiều (bao gồm Samsung) 2A (1.2V / 1.2V)

Bộ sạc 'Thông minh' - tức là 'chip điều khiển DCP bên trong chúng - có thể mô phỏng cổng DCP tiêu chuẩn với các giá trị điện trở khác nhau và cũng có thể mô phỏng một số điện áp DCP không chuẩn.

Nước sốt bí mật

Các nhà sản xuất chip không thực sự mô tả logic 'phát hiện' của họ hoạt động như thế nào, nhưng lựa chọn duy nhất họ có là theo dõi những gì thiết bị sạc đang làm trên đường D + và D- và xem xét dòng điện đang được vẽ.

Điều này chắc chắn đòi hỏi rất nhiều nghiên cứu thử và sai, và thuật toán có thể được giữ như một bí mật được bảo vệ chặt chẽ.

Một kỹ thuật có thể được sử dụng, là chuyển qua các trạng thái mô phỏng và lưu ý lượng dòng điện được rút ra. Trạng thái có mức rút cao nhất hiện tại là 'tốt nhất' và vẫn hoạt động.

Lưu ý bên

Đừng nhầm lẫn với việc tiếp thị của các nhà sản xuất bộ sạc mà tuyên bố rằng bộ sạc " cung cấp dòng điện tối đa cho thiết bị". Ổ cắm USB là nguồn điện áp ; nó chỉ điều khiển điện áp và đó là thiết bị sạc 'quyết định' có bao nhiêu dòng điện 'trong khi sạc'.

Vì vậy, không có cách nào bộ sạc có thể 'buộc' dòng điện vào một thiết bị không chấp nhận nó, ít nhất là không bằng cách ở dưới mức tối đa 5,1 Volt an toàn.

Điều duy nhất đang diễn ra là một số mánh khóe để làm cho thiết bị sạc tin rằng nó được kết nối với bộ sạc tương thích nhất, có khả năng nhất, phù hợp nhất mà nó có thể tưởng tượng.

Liên kết khác

• 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

Tôi cũng chỉ là một kỹ sư phần mềm, nhưng một phần công việc của tôi liên quan đến việc đọc các tài liệu đặc tả USB. Đây là những gì tôi biết:

Có hai giao thức chính thức để cấp nguồn qua USB. BCD đầu tiên, được phát hành vào năm 2007 và được cập nhật vào năm 2010. Nó sử dụng các thủ thuật dòng dữ liệu khác nhau để xác định mức năng lượng mà thiết bị hạ nguồn được phép chìm. Đây không phải là một cái bắt tay USB đầy đủ. Chẳng hạn, bộ sạc chuyên dụng xác định như vậy chỉ bằng cách rút ngắn D + thành D-. Điều đó chỉ ra rằng thiết bị xuôi dòng có thể chìm đến dòng sạc tối đa, mà tôi tin là 1,5A. Bạn có thể đọc thông số BCD ở đây .

Giao thức mới hơn là PD (Power Delivery), được phân phối như một phần của đặc tả USB chính . PD thực sự thú vị. Nó cho phép thông tin năng lượng được trao đổi qua các đường điện áp thay vì các đường dữ liệu và nó có thể hỗ trợ lên đến 100W (20V / 5A). Tuy nhiên, các ứng dụng năng lượng cao yêu cầu cáp phải được đánh dấu điện tử để chỉ ra rằng cáp có thể hỗ trợ điện áp cao / dòng điện cao mà không bị nóng chảy. :-) Có một số "dấu hiệu" được xác định trong thông số kỹ thuật, nhưng tất cả chúng dường như liên quan đến việc thả một điện trở hoặc tụ điện giữa hai chân trong phích cắm.

Điều đó nói rằng, khả năng của bất kỳ cáp hoặc bộ sạc thực sự thực hiện toàn bộ thông số kỹ thuật có vẻ khá thấp. Bạn có thể theo dõi các hoạt động khai thác của Benson Leung trên Amazon.com để xem có bao nhiêu cách các nhà sản xuất đã tìm ra để giải quyết vấn đề này.

Tôi không biết chắc chắn, nhưng tôi nghĩ rất có thể các nhãn tiếp thị như "PowerIQ" đang chỉ ra các bộ sạc cố gắng đạt được khả năng tương thích với càng nhiều thiết bị và cáp càng tốt, bao gồm cả những thiết bị không đạt tiêu chuẩn. Thật không may, không có cách nào tốt để nói mức độ gần với bất kỳ bộ sạc cụ thể nào đạt được lý tưởng đó.

(chủ đề cũ, nhưng thông tin mới dựa trên thông số USB mới nhất.)

Như đã đề cập, thông số kỹ thuật USB mới cho phép điện áp sạc cao hơn 5V, nếu thiết bị yêu cầu.

Trong tiện ích mở rộng "Phân phối nguồn USB" (PD PD (USB PD rev. 3.0, ver 1.0a ngay bây giờ), có thể cung cấp tối đa 5A ở 5V, 9V, 15V hoặc 20V cho thiết bị được đính kèm, tối đa 100W có nguồn gốc. Có nhiều quy tắc "thiết bị yêu cầu" phải tuân theo các trường hợp này.

Điều này thường dành cho máy tính xách tay hoặc các thiết bị khác có số lượng tế bào cao hơn và / hoặc điện áp hoạt động. Các cáp cũng phải được thiết kế và chỉ định để xử lý các điều kiện này.

(vâng, tôi là một EE ... trong hơn 35 năm)

Tôi chia sẻ sự buồn nôn của bạn về ngôn ngữ đó, tuy nhiên, tôi đồng ý rằng có khả năng có một số sự thật đằng sau vấn đề này. Các thiết bị USB tự khai báo dựa trên ID nhà cung cấp, sản phẩm và thiết bị để chủ nhà có thể nhận ra những gì đang được kết nối và xử lý phù hợp (ví dụ: tìm trình điều khiển phù hợp). Hơn nữa, tôi không phải là chuyên gia về pin, nhưng tôi đã được tiếp xúc đủ để biết rằng pin Li-ion có một số yêu cầu sạc lạ để tránh quá nóng. Không phải là không có lý khi nghĩ rằng một sản phẩm USB có thể đàm phán một kiểu sạc tối ưu hơn như được mô tả ở đây với điều kiện là nó đang giao tiếp với trình điều khiển hoặc sản phẩm phù hợp ở đầu bên kia.

Một ví dụ về kiểu sạc Li-ion mà tôi đã thấy là dòng điện không đổi cho đến khi điện áp pin đạt 4.0V sau đó là điện áp không đổi cho đến khi pin đạt 4.2V. Có lẽ các loại pin khác nhau có kiểu khác nhau (một lần nữa, tôi không phải là chuyên gia về pin).

[...] Thực sự có một cái gì đó phức tạp hơn đang diễn ra.

Vâng. Nói tóm lại, các cổng thông minh sử dụng các cơ chế sạc không chuẩn để đạt được dòng điện tối ưu. Giả định phổ biến rằng tất cả các thiết bị USB chỉ dựa trên các giao thức sạc của chúng trên thông số kỹ thuật USB hoặc phần mở rộng BCS là sai.

Nhiều bộ sạc USB chỉ có các cổng pin dữ liệu nổi 'câm' được mô tả bởi BCS, còn gọi là DCP, Cổng sạc chuyên dụng.

Một cổng thông minh có thể hoạt động như một cổng câm (DCP) hoặc nó có thể mô phỏng một số cổng độc quyền trong trường hợp thông số USB / BC không được hỗ trợ hoặc tối ưu. Việc mô phỏng này có thể bị hỏng trong một số trường hợp nhất định và gây ra sự cố, đó là lý do tại sao mỗi thương hiệu bộ sạc thông minh cố gắng phân biệt chính nó về độ tin cậy, tốc độ và khả năng tương thích. Làm cho chúng có thể liên quan đến một số kỹ thuật đảo ngược.

Lý tưởng nhất là bộ sạc 'thông minh' sẽ không cần thiết và tất cả các thiết bị sẽ sử dụng cùng một tiêu chuẩn sạc. Nếu không phải là máy chủ / bộ sạc, thiết bị có thể nhận ra thiết bị có thể:

• Sạc chậm
• Không tính phí chút nào.
• Sạc ở tốc độ thông số kỹ thuật USB tiêu chuẩn (không phải BCS) (tức là 5 đơn vị năng lượng cho thiết bị USB toàn năng, 1 cho công suất thấp, 5 cho kết nối chỉ sử dụng điện không liệt kê). Điều này thường chậm hơn so với tối đa của nó.
• Sạc ở tốc độ BCS, sau đó họ có thể kéo tối đa 5A từ DCP. Mặc dù tôi chưa bao giờ thấy nhiều hơn 3A được quảng cáo cho một cổng. Điều này có thể vẫn chậm hơn những gì nó có thể làm với bộ sạc riêng của mình.

[...] Điều gì đang xảy ra với các cổng thông minh này để cho phép thiết bị thu hút nhiều dòng điện hơn? [...] Các dòng dữ liệu USB có thực sự được sử dụng để đàm phán một số kiểu sạc không?

Kinda, phụ thuộc vào thông số sạc mà bạn đang xem. Tôi tin rằng Apple sử dụng các dòng dữ liệu, nhưng không có gì phức tạp xảy ra, họ chỉ được đặt thành 3V để chỉ ra đó là bộ sạc của Apple.

DCP không phải là cổng sạc duy nhất được mô tả bởi BCS. Một số (vài) thiết bị thích yêu cầu liệt kê (nghĩa là sử dụng bắt tay ghim dữ liệu) và do đó cần CDP (cổng sạc xuôi) phức tạp hơn vì nó cho phép truyền dữ liệu ngoài sạc. Tôi cho rằng một cổng hoàn toàn tuân thủ BCS, nghĩa là có thể chuyển đổi giữa CDP và DCP, có thể được coi là 'thông minh' ngay cả khi nó không mô phỏng bất kỳ công nghệ nào khác.

Tôi đoán rằng để sạc pin càng nhanh càng tốt, bạn sẽ rút được càng nhiều dòng điện càng tốt, [...] chắc chắn họ có thể rút được nhiều hơn. Tại sao lại thế này?

Đúng, nhưng chỉ khi bộ sạc đáp ứng thông số kỹ thuật của họ, nếu không tôi đoán họ chỉ không tin tưởng nó. Hoặc có thể nó phải làm với sự cạnh tranh và bằng sáng chế, hoặc các thuật toán tối ưu hóa tuổi thọ pin. Tôi nghĩ làm thế nào là thú vị hơn tại sao mặc dù.

Tôi cũng không phải là EE. (Cũng là một kỹ sư phần mềm với sự hiểu biết tốt về sở thích điện tử.)

Theo hiểu biết của tôi, quy ước là các thiết bị USB thông thường sẽ thu được tối đa 500 mA, không còn nữa. Bất cứ điều gì nhiều hơn là vi phạm tiêu chuẩn USB.

Bộ sạc USB "Thông minh" bao gồm logic trạng thái rắn với chip truyền thông nối tiếp. Khi bạn cắm vào một thiết bị muốn có dòng điện cao hơn, nó sẽ gửi một truy vấn đến nguồn cung cấp năng lượng nói lên điều gì đó về tác dụng của "Tôi muốn 2 ampe. Điều đó có ổn không?" Nếu nguồn điện là cổng USB kết xuất, nó hoàn toàn không trả lời, vì vậy thiết bị sẽ không hoạt động hoặc chỉ rút ra 500 mA mặc định (và sạc chậm hơn nhiều.

Tôi có điện thoại Samsung S5 và Note 10.1 (phiên bản 2014). Tôi có một đồng hồ USB trực tiếp đo điện áp, dòng điện và maH. Khi một trong những thiết bị này được kết nối với bộ sạc OEM, đầu ra của bộ sạc tăng lên 5,5 volt và dòng sạc là khoảng 1,6 amps. Nếu tôi thử điều này bằng cách sử dụng mụn cóc treo tường giá rẻ ở mức 1 amp, điện áp vẫn ở mức 5.0 và nó sạc ở mức 0,8 amps. Tôi cũng có một số bộ sạc chạy bằng pin. Hầu hết trong số chúng, mặc dù được đánh giá ở mức 2 ampe trở lên, chỉ cung cấp 5,0 volt và dòng điện tích vẫn ở mức khoảng 0,8 amps. Từ đó, tôi kết luận rằng giao thức Samsung dành cho các thiết bị yêu cầu sạc nhanh bằng một trong các phương tiện đã nêu ở trên và bộ sạc báo hiệu khả năng của nó bằng cách tăng sản lượng lên 5,5 volt.