USB-C Power Delivery - Qu'est-ce qui rend un câble USB-C à charge rapide ?
23 août 2022
USB-C Power Delivery - Qu'est-ce qui rend un câble USB-C à charge rapide ?
Avant l'apparition de l'interface Type-C, le câble USB ne pouvait fournir que 2,5 W de puissance, tandis que le câble USB Type-C permettait une puissance maximale allant jusqu'à 5 V/3 A (15 W). Si le protocole Power Delivery (PD) est adopté, la tension et le courant peuvent être augmentés à 20 V/5 A (100 W), ce qui permet l'alimentation de grands appareils via l'interface USB, comme la charge d'un ordinateur portable avec une grande batterie.
Mais, qu’est-ce qui rend un câble USB-C chargé rapidement ?
FIrst,Passons en revue l’interface USB-C et le câble USB-C
1. Définition de la fonction du PINs de l’USB Type-C
Le type C est une forme d’interface USB. C’est le seul connecteur USB qui ne se soucie pas de l’avantACet retour Côté quand il est inséré. Il prend en charge, la transmission de données, la vidéo, la transmission audio, la sortie d’affichage et d’autres fonctions.
Une autre différence entre l’USB Type-C et les anciennes normes réside dans sa capacité à double rôle. Les deux extrémités de chaque câble USB de type C sont miroirées, ce qui signifie que les deux appareils connectés doivent communiquer entre eux pour déterminer s’ils doivent exister comme hôte ou périphérique. La communication des rôles doit être effectuée séparément pour les données et l’alimentation, et ce travail doit être effectué après la connexion du câble.
Le port hôte utilisé pour la communication de données s’appelle Downstream Facing Port (DFP), et le port périphérique s’appelle Upstream Facing Port (UFP). En termes d’alimentation, l’extrémité de l’alimentation est appelée l’extrémité source (Source), et l’extrémité de consommation d’énergie est appelée l’extrémité de la fonte (Sink). Certains appareils peuvent avoir à la fois la capacité Double Rôles des Données (DRD) sur les données et la capacité Double Rôle d’Alimentation (DRP) sur l’alimentation. Le CCcâble définit le rôle de l’alimentation pendant la connexion entre les deux appareils, communiquant via le type C « Configuration Channel Pin CC »
2.Comment un câble USB-C vers USB-C est-il connecté ?
Le schéma de câblage du câble USB-C vers USB-C GEN 2 complet est le suivant, fourni par P-Shine Electronic Tech Ltd.
Statut (1) Connexion directe non inversée
L’image ci-dessus montre la connexion lorsque le câble estNon retourné. De la douille à gauche à la douille à droite, la paire RX1 est connectée à la paire RX1, la paire RX2 est connectée à la paire RX2 ; D+ est connecté à D+, D- est connecté à D-, SBU1 est connecté à SBU2, et CC1 est connecté à CC1. .
Parfois, les VCONN aux deux extrémités du câble n’ont pas besoin d’être connectés (B5 à B5). Quand l’électroniqueMark La puce (E-mark) est installée sur le circuit imprimé du connecteur USB-C, le B5 de la fiche gauche et le B5 de la fiche droitebesoin être connectés les uns aux autres
État (2)FConnexion à lèvres
Quand la prise et la prise à gauche restent les mêmes, et la prise à droiteaussiReste la même, mais la prise à droite change d’un côté à l’autre (USB-C supporte l’insertion avant et arrière), la connexion USB-Cinversé
Dans ce cas, de la prise à gauche à la prise à droite, la paire RX1 est connectée à la paire TX2, la paire RX2 est connectée à la paire TX1, D+ est toujours connectée à D+, D- est toujours connectée à D-, SBU1 connecte à SBU1, SBU2 à SBU2, et CC1 est connectée à CC2 via le CCcâble. Désormais, les données à haute vitesse sont transmises via RX1+/- et TX1+/- à gauche vers TX2+/- et RX2+/- à droite.
Les fiches gauche et droitepeut Être retourné. Il semble qu’il existe quatre méthodes de connexion différentes au total, mais en réalité, il n’y en a que deux : la simple (retourner les deux extrémités en même temps équivaut à la directe) et la version unilatéraleed.
Ainsi, vous pouvez voir quatre paires de signaux haute vitesse dans le câble 3.1 du câble USB-C vers USB-C, mais seules deux paires fonctionnent simultanément, wUne fois la prise unilatérale basculée, les deux autres paires de signaux libres peuvent remplacer la paire fonctionnelle d’origines. Ou bien, lorsque les rôles hôte et périphérique pour l’alimentation ou le transfert de données changent, les paires de signaux sont constamment basculées.
Dans le système USB 3.1, les paires de données RX/TX doivent être configurées pour chaque état de connexion possible à l’aide d’un multiplexeur afin de pouvoir établir une communication correcte. La figure ci-dessous montre les possibilités de routage des paires de données entre ports USB de type C, l’orientation de la prise et de la prise peut être déterminée en mesurant l’état de CC1/CC2 sur chaque borne, le contrôleur logique CC peut alors compléter la configuration de routage du multiplexeur, soit dans le multiplexeur, soit dans la puce USB.
3.USB-C Power Delivery - Qu'est-ce qui rend un câble USB-C à charge rapide ?
USB PD3.0 concerne uniquement l’alimentation du câble, et n’a rien à voir avec la transmission de données. Les câbles de charge USB-A traditionnels ne peuvent être que deux fils, VBUS et Gound. Cependant, un câble USB-C vers USB-C conforme à 3.0 nécessite au moins trois fils : VBUS, Gound et CC (Channel Configuration).
Dans un câble USB de type C qui n’utilise pasun Le protocole de transfert de puissance, la méthode de transfert de puissance de l’extrémité source à l’extrémité du dissipateur, est illustrée dans la figure ci-dessous
L’extrémité source du câble USB de type C contient toujours un interrupteur MOSFET pour activer/désactiver le VBUS, il peut avoir la capacité de détecter le courant VBUS ; sa fonction principale est de détecter les surcourants, le circuit de décharge VBUS qui s’y trouve commence à fonctionner en cas de surintensité. Les circuits de détection de CC1 et CC2 existent à la fois aux extrémités source et à l’extrémité du dissipateur.
Le rôle du CC (Configuration du canal)câble consiste à configurer l’alimentation pour deux appareils connectés. Au départ, il n’y a pas d’alimentation sur le VBUS de l’interface USB Type-C. Le système doit définir le rôle de l’appareil lors de la connexion du câble. L’appareil dont la tension de la ligne CC sur la prise est remontée sera défini comme le fournisseur d’alimentation (source), tandis que l’appareil dont la tension est tirée vers le bas sera défini comme le consommateur d’énergie (consommateur).
La figure ci-dessus montre comment déterminer le rôles de l’alimentation et de la consommation, de l’orientation des câbles et de la capacité d’alimentation en courant. Le CC1 et le CC2 à l’extrémité source sont tirés haut par la résistance Rp, et le CC1/CC2 surveillé est toujours à haute tension lorsque rien n’est connecté. Une fois le puits connecté, la tension de CC1 ou CC2 est tirée vers le bas par la résistance Rd. Comme il n’y a qu’un seul fil CC dans le câble, la source peut le savoir lequelCôté de laLe contrôle de crédit est tiré vers le bas. La tension de CC1/CC2 au niveau de l’évier est également surveillée, oNCE A CCcâble s’il est constaté qu’il est tiré vers le haut, la variation de son niveau de tension permettra au puits de connaître la capacité d’alimentation en courant de la source.La résistance de tirage Rp dans le circuit peut également être remplacée par une source de courant, ce qui est facile à mettre en œuvre dans un circuit intégré et peut être immunisé contre les erreurs de tension d’alimentation V+.
La valeur définie de la résistance de tirage vers le bas Rd au puits est de 5,1KΩ, donc la tension du CCcâble est déterminée par la valeur de la résistance de tirage Rp à la source (ou la valeur de courant de la source de courant). Il y a 3 niveaux de courant de busqui ont été définis. Le CC le plus bascâble la tension (environ 0,41V) correspond à la spécification d’alimentation USB par défaut (500mA pour USB 2.0 ou 900mA pour USB 3.0), et au CC plus élevécâble la tension (environ 0,92V) correspond à une capacité courante de 1,5 A. Si le CCcâble La tension est d’environ 1,68V, correspondanteMLa capacité maximale d’alimentation en courant est de 3A. Les données pertinentes peuvent se référer à la figure suivante
La figure ci-dessous montre un cas de mesure où le côté alimentation (Source) est connecté au côté consommation d’énergie (SInk), en utilisant un câble USB-C classique vers USB-C.
Initialement, les CC1 et CC2 sur la prise source sont tous deux tirés vers une haute tension par la résistance Rp, et les CC1 et CC2 sur le puits sont tous deux tirés vers une basse tension par la résistance de tirage Rd.
Après la connexion du câble, CC1 ou CC2 est tiré vers une tension plus élevée selon la direction d’insertion du câble. Le câble dans ce cas n’est pas en état inversé, le CC1 à l’extrémité source et le CC1 à l’extrémité de l’évier sont connectés, après que la tension sur CC1 est affectée par Rp et Rd, une nouvelle valeur apparaît, cette tension sera mesurée par le puits et saura donc quelle est la capacité d’alimentation courante de la source.
Dans ce cas, la tension de CC1 après la connexion est d’environ 1,65V, ce qui signifie que la source peut fournir un courant maximal de 3A.
Après le CC Fil la connexion est établie, la tension de 5V sur VBUS sera activée.
Dans les systèmes sans protocole de livraison d’alimentation, la capacité d’alimentation courante sur le bus est déterminée par Rp/Rd, mais la source ne fournit que 5V
Après l’adoption du protocole Power Delivery (), la tension du bus du système USB Type-C peut être augmentée jusqu’à un maximum de 20V, la communication entre la source et le puits concernant la tension et le courant du bus est réalisée en transmettant des codes série BMC sur le fil CC
Le diagramme de trame système du système USB Type C, incluant le protocole depuis la sourceACVers l’évierAC est illustré dans la figure ci-dessous
Comme montré dans la figure ci-dessus, le côté source contient un convertisseur de tension, contrôlé par le contrôleur côté source. Le convertisseur de tension peut être un convertisseur Buck, Boost, Buck-Boost ou flyback selon les conditions de tension d’entrée et les exigences de tension les plus élevées sur le bus. Communication via le CCcâble est également sous le contrôle du responsable de la défense. Le système USB nécessite également un commutateur pour basculer l’alimentation Vconn vers un CCfil de fer.
Lorsque la connexion du câble est établie, la communication SOP du protocole commence via le CCcâble pour sélectionner la spécification de transmission de puissance, Le dissipateur demandera les paramètres de configuration de puissance (données de tension et de courant du bus) que la source peut fournir. Puisque la demande en puissance des sencre la fin est souventLiésà l’appareil connecté à laÉvier (comme un chargeur), le contrôleur du système embarqué du sencre l’extrémité doit communiquer avec le contrôleur de l’extrémité source pour déterminer les spécifications correspondantes.
La figure ci-dessous montre un exemple d’un contrôleur en chute demandant une tension de bus plus élevée.
La communication entre le puits et la source sur le CCLe fil ressemble aux étapes suivantes :
1. Les sLe côté encre s’applique pour obtenir les données de capacité du côté source.
2. La source fournit ses informations de données de capacité.
3. Le puits sélectionne les paramètres de configuration d’alimentation appropriés à partir des données de capacité fournies par la source et envoie une requête correspondante.
4. La source accepte la requête et modifie la tension du bus au paramètre correspondant. Lors des changements de tension du bus, la consommation de courant de l’évier est maintenue aussi faible que possible. Le processus d’augmentation de la tension du bus à l’extrémité source est effectué selon la vitesse de levée de tension définie.
5. Après que la tension du bus atteigne la valeur finale, la source attendra que la tension du bus se stabiliseet puis envoi d’un signal de prêt à l’alimentationSink,unÀ ce stade, le puits peut augmenter sa consommation de courant. Le même processus de communication se produit lorsque le puits veut que la tension du bus baisse, pendant la chute de tension du bus, la source active un circuit de dérivation qui réduit rapidement la tension du bus par décharge active du bus. Après avoir atteint la valeur nominale, la source attendra un peu plus longtemps que la tension du bus se stabilise avant d’envoyer un signal prêt à la prise de tension au consommateur
Cette méthode de communication garantit que tout changement de puissance sur le bus est dans les capacités de la source et du puits d’alimentation, évitant ainsi des conditions incontrôlables. Lorsque la connexion du câble de type C est coupée, l’alimentation du bus est également coupée. UnUne nouvelle connexion fera définitivement la détection de la connexion des câbles, et la tension est toujours à 5V, doncit peut éviter la haute tension lorsque le câble est connecté d’un appareil à un autre.
La communication USB utilise le Mark Code biphasé (BMC), qui est un code de communication à ligne unique. La transmission des données 1 nécessite un processus de commutation entre haute et basse tension, et la transmission des données 0 Il s’agit d’une haute tension fixe ou basse tension. Chaque paquet de données contient un préambule alterné 0/1, un début de paquet (SOP), un en-tête de paquet, des octets de données d’information, un code de redondance cyclique CRC et un code de fin de paquet (fin de paquet). Paquet, EOC), voir la figure ci-dessous :
La figure ci-dessous montre la forme d’onde d’une communication nécessitant une augmentation de la tension du bus de dense à étendue. La séquence du préambule peut être observée à partir de la dernière forme d’onde étendue.
Les données de communication BMC peuvent être décodées avec un décodeur USB, comme l’analyseur EX350 d’Ellisys. Avec cet outil, les données de la communication peuvent être capturées et la signification de chaque paquet de données est affichée, contenant des données liées au temps telles que la valeur de tension du bus, la forme d’onde sur le CCcâble, etc., voir la figure ci-dessous
4. Liste des configurations d’alimentation
La spécification USB 3.0 définit la liste de configuration suivante de l’alimentation :
Il existe 4 valeurs de tension distinctes prédéfinies : 5V, 9V, 15V et 20V. Pour 5V, 9V et 15V, le courant maximal est de 3A. Dans une configuration 20V, si le câble est normal, la sortie maximale autorisée est de 20V/3A(60W). Si un câble spécialement personnalisé avecIlectroniqueMark (E-Mark) les données correspondantes peuvent être agrandies à 20V/5A(100W). Un système qui supporte la tension et la puissance les plus élevéesclasse doit également supporter toutes les tensions et puissances inférieuresclasses.
5.Câble avecIlectroniqueMark (E-Mark) et comment fonctionne une puce E-Mark ?
La spécification USB Type-C définit une variété de câbles avec des spécifications différentes. Il n’y a pas d’exigences particulières pour un câble USB 2.0 à basse vitesse. Mais pour les câbles USB 3.1 qui supportentSupertransmission rapide de données, ou câbles avec des courants supérieurs à 3A,IlectroniqueMark doit être utilisé. Le câble montré dans la figure ci-dessous contient un CI dont la fonction est d’identifier les caractéristiques du câble. Ce câble dynamique peut également contenir des circuits intégrés pour la mise en forme du signal, tous nécessitant l’alimentation du VCONNPlus bizarre du câble.
Le Vconn dans le câble contenant leIlectroniqueMark la puce contient une résistance de tirage Ra de 1KΩ, et sa valeur est inférieure à celle de la résistance Rd, qui est généralement de 5,1 kΩ. Lorsqu’un tel câble est inséré, l’extrémité source verra la chute de tension de CC1 et CC2. Le changement de tension spécifique indiquera à l’hôte queFin est tiré vers le bas par la résistance de 5,1 kΩ de l’extrémité de l’émerveil, et quiFin est tiré vers le bas par le 1KΩ résistance du câble, donc tDirection d’insertion du câble peut être déterminé. L’effet de tirage vers le bas de Ra permet également à l’extrémité source de savoir que le VCONN a besoin d’une alimentation 5V, donc il doit fournir de l’énergie à l’extrémité CC pour répondre aux besoins énergétiques duIlectroniqueMark.
La figure ci-dessous montre un cas test, which L’extrémité de l’alimentation (source) est reliée à l’extrémité de consommation électrique (pube) par un câble avec unIlectroniqueMark, et le câble est en état inversé. On peut voir que lorsque le câble est connecté, un CCcâble à l’extrémité de la source, il est tiré à une très basse tension par un 1KΩ résistance du côté VCONN.
La sourceFin détectera cette tension et saura que le câble contient unIlectroniquePuce de marque, donc il connectera le VCONN 5V au CCcâble pour alimenter le circuit interne du câble.
La communication qui se produit plus tard inclura la communication entre la source et leIlectroniqueMark (appelée SOP' ou SOP), et la communication entre la source et le puits (appelée SOP)
6. Double rôle de l’alimentation électrique
Certains périphériques USB de type C peuvent être utilisés à la fois comme source et comme réception, et ils sont appelés appareils prenant en charge des doubles rôles (Double rôle pour l’alimentation, DRP). Les bornes CC1 et CC2 de cet appareil alternent entre les hauts et les bas niveaux. Avant l’interconnexion, une fois la connexion effectuée, les bornes CC des deux changeront, comme montré dans la figure ci-dessous.
Dans ce cas, le dispositif DRP à gauche est sélectionné comme source, et le dispositif DRP à droite est sélectionné comme puits d’alimentation. Cette situation peut aussi être inversée, sauf si un dispositif DRP a été réglé sur la source en premier (comme lorsqu’il est alimenté par un adaptateur d’alimentation externe), ou sur la mise en mode « sink » en premier (comme lorsqu’il est alimenté par une batterie).
La commutation de rôle d’alimentation peut également avoir lieu pendant la connexion, tant que l’un des deux périphériques DRP lance la demande de changement de rôle. La figure suivante montre le processus d’un tel changement de rôle.
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