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Alimentation USB-C - Qu’est-ce qui rend un câble USB-C à charge rapide ?

23 août 2022
Alimentation USB-C - Qu’est-ce qui rend un câble USB-C à charge rapide ?


Avant l’apparition de l’interface Type-C, le câble USB n’était autorisé à fournir qu’une puissance de 2,5 W, tandis que le câble USB Type-C permettait une puissance maximale de 5 V/3 A (15 W). Si le protocole Power Deliver () est adopté, la tension et le courant peuvent être augmentés à 20 V/5 A (100 W), ce qui permet l’alimentation de gros appareils via l’interface USB, comme le chargement d’un ordinateur portable avec une grande batterie.

Mais, qu’est-ce qui rend un câble USB-C à charge rapide ?

Fpremièrement, Passons en revue l’interface USB-C et le câble USB-C

1. Définition de la fonction du code PINsde 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’avant côté et retourcôtélorsqu’il est inséré. Il prend en charge la charge standard USB, la transmission de données, la transmission vidéo, la transmission audio, la sortie d’affichage et d’autres fonctions.





Une autre différence entre l’USB Type-C et les anciennes normes est sa capacité à double rôle. Les deux extrémités de chaque câble USB Type-C sont mises en miroir, ce qui signifie que les deux appareils connectés doivent communiquer entre eux pour déterminer s’ils doivent exister en tant qu’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 est appelé port orienté vers l’aval (DFP) et le port périphérique est appelé port orienté vers l’amont (UFP). En termes d’alimentation, l’extrémité de l’alimentation est appelée l’extrémité source (Source) et l’extrémité de la consommation d’énergie est appelée l’extrémité de l’évier (Sink). Certains périphériques peuvent avoir à la fois la fonctionnalité DRD (Dual Roles of Data) sur les données et la fonctionnalité DRP (Dual Roles of Power) sur l’alimentation. Le CC fildéfinit le rôle de l’alimentation lors de la connexion entre les deux appareils, en communiquant via le Type-C « Canal de configuration 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.

État (1) Connexion directe non inversée



L’image ci-dessus montre la connexion lorsque le câble est Non retourné. De la prise de gauche à la prise de 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, il n’est pas nécessaire de connecter les VCONN aux deux extrémités du câble (B5 à B5). Lorsque l’électronique marqueLa puce (E-mark) est installée sur le PCB du connecteur USB-C, le B5 de la prise gauche et le B5 de la prise droite besoinêtre connectés les uns aux autres

État (2) FConnexion à rebord



Lorsque la fiche et la prise de courant de gauche restent les mêmes, et que la prise de courant de droite aussi reste la même, mais la prise sur la droite change d’un côté à l’autre (l’USB-C prend en charge l’insertion avant et arrière), la connexion USB-C Retourné

Dans ce cas, de la prise de gauche à la prise de 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 connecté à D-, SBU1 se connecte à SBU1, SBU2 à SBU2 et CC1 est connecté à CC2 via le CC fil. Désormais, les données à haut débit sont transmises via RX1+/- et TX1+/- à gauche à TX2+/- et RX2+/- à droite.

Les prises gauche et droite pouvoirêtre retourné. Il semble qu’il y ait quatre méthodes de connexion différentes au total, mais il n’y en a en fait que deux, directe (retourner les deux extrémités en même temps équivaut à direct) et retourner unilatéralementEd.

Par conséquent, vous pouvez voir quatre paires de paires de signaux à haut débit dans le câble 3.1 du câble USB-C vers USB-C, mais seules deux paires fonctionnent en même temps, wLorsque la prise unilatérale est retournée, les deux autres paires de signaux libres peuvent remplacer la paire de travail d’origines. Ou lorsque les rôles de l’hôte et du 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 les ports USB Type-C, l’orientation de la fiche et de la prise peut être connue en mesurant l’état de CC1/CC2 sur chaque terminal, le contrôleur logique CC peut alors compléter la configuration de routage du multiplexeur, soit dans le multiplexeur, soit dans le chipset USB.




3. Alimentation USB-C - Qu’est-ce qui rend un câble USB-C à charge rapide ?

L’USB PD3.0 n’est lié qu’à l’alimentation du câble et n’a rien à voir avec la transmission des données. Les câbles de charge USB-A traditionnels ne peuvent être composés que de deux fils, VBUS et Gound. Cependant, un câble USB-C vers USB-C conforme à la norme 3.0 nécessite au moins trois fils, VBUS, Gound et CC (Channel Configuration).

Dans un câble USB Type-C qui n’utilise pas unprotocole de transfert d’alimentation, la méthode de transfert d’énergie de l’extrémité source à l’extrémité de l’évier est illustrée dans la figure ci-dessous



L’extrémité source du câble USB Type-C contient toujours un commutateur MOSFET pour allumer / éteindre VBUS, il peut avoir la capacité de détecter le courant VBUS, sa fonction principale est de détecter les conditions de surintensité,le circuit de décharge VBUS commence à fonctionner en cas de surintensité. Les circuits de détection de CC1 et CC2 existent à la fois à la source et à l’extrémité du récepteur.

Le rôle du CC (Channel Configuration) filconsiste à configurer l’alimentation de deux appareils connectés. Initialement, 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 avec la tension de la ligne CC sur la prise tirée vers le haut sera défini comme le fournisseur d’énergie (source), tandis que l’appareil avec la tension tirée vers le bas sera défini comme le consommateur d’énergie (puits).



La figure ci-dessus montre comment déterminer le rôlesde l’alimentation et de la consommation, de l’orientation du câble et de la capacité d’alimentation en courant. Le CC1 et le CC2 à l’extrémité de la source sont tirés vers le haut par la résistance Rp, et le CC1/CC2 surveillé est toujours à une tension élevée lorsque rien n’est connecté. Une fois l’évier 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 dire quel côté de la Le CC est tiré vers le bas. La tension de CC1/CC2 au niveau de l’évier est également surveillée, once a CC fils’avère être tiré vers le haut, le changement de son niveau de tension permettra au puits de connaître la capacité d’alimentation en courant de la source. La résistance de traction 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 traction Rd au niveau de l’évier est 5,1KΩ, donc la tension du CC filest déterminée par la valeur de la résistance de traction Rp à la source (ou la valeur actuelle de la source de courant). Il existe 3 niveaux de courant de bus qui ont été définis. Le CC le plus bas filtension (environ 0,41 V) correspond à la spécification d’alimentation USB par défaut (500 mA pour l’USB 2.0 ou 900 mA pour l’USB 3.0), et à la CC la plus élevée filtension (environ 0,92 V) ) correspond à une capacité de courant de 1,5 A. Si le CC filtension est d’environ 1,68 V, la MLa capacité d’alimentation en courant aximum est de 3A. Les données pertinentes peuvent se référer à la figure suivante



La figure ci-dessous illustre un cas de mesure dans lequel le côté alimentation (Source) est connecté du côté de la consommation électrique (Sencre), à l’aide d’un câble USB-C vers USB-C normal.

Initialement, CC1 et CC2 sur la prise source sont tirés vers le haut à une haute tension par la résistance Rp, et CC1 et CC2 sur l’évier sont tirés vers le bas à une basse tension par la résistance de traction Rd.

Une fois le câble connecté, CC1 ou CC2 est tiré vers une tension plus élevée en fonction du sens d’insertion du câble. Dans ce cas, le câble n’est pas dans un état inversé, le CC1 à l’extrémité source et le CC1 à l’extrémité de l’évier sont connectés,une fois que la tension sur CC1 est affectée par Rp et Rd, une nouvelle valeur apparaît, cette tension sera mesurée par le puits et saura ainsi quelle est la capacité d’alimentation en courant de la source.

Dans ce cas, la tension de CC1 après connexion est d’environ 1,65 V, ce qui signifie que la source peut fournir un courant maximum de 3 A.

Après le CCfilla connexion est établie, la tension 5V sur VBUS sera activée.

Dans les systèmes sans protocole d’alimentation, la capacité d’alimentation en courant 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 20 V, la communication entre la source et le récepteur concernant la tension et le courant du bus est réalisée en transmettant des codes BMC série sur le fil CC

Le schéma de trame système du système USB Type-C, y compris le protocole de la source côté à l’évier côtéest illustré dans la figure ci-dessous



Comme le montre la figure ci-dessus, le côté source contient un convertisseur de tension, qui est contrôlé par le contrôleur côté source. Le convertisseur de tension peut être un convertisseur Buck, Boost, Buck-Boost ou flyback en fonction des conditions de tension d’entrée et des exigences de tension de bus les plus élevées. Communication DP par le biais du CC filest également sous le contrôle du contrôleur de DP. Le système USB a également besoin d’un interrupteur pour commuter l’alimentation Vconn sur un CC fil.

Lorsque la connexion du câble est établie, la communication SOP du protocole commence via le CC filpour sélectionner la spécification de transmission de puissance,Le récepteur demandera les paramètres de configuration de l’alimentation (données de tension et de courant du bus) que la source peut fournir. Étant donné que la demande de puissance du sencrefin est souvent apparenté à l’appareil connecté au couler(comme un chargeur), le contrôleur de système embarqué duencreend doit communiquer avec le contrôleur de la source pour déterminer les spécifications correspondantes.

La figure ci-dessous illustre l’exemple d’un contrôleur en chute descendante demandant une tension de bus plus élevée.



La communication entre l’évier et la source sur le CC Le fil ressemble aux étapes suivantes :

1. Le parInk Side s’applique pour obtenir les données de capacité du côté source.

2. La source fournit ses informations sur les données de capacité.

3. Le récepteur sélectionne les paramètres de configuration d’alimentation appropriés à partir des informations de données de capacité fournies par la source et envoie une demande correspondante.

4. La source accepte la demande 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 de la source est effectué en fonction de la vitesse d’élévation de tension définie.

5. Une fois que la tension du bus a atteint la valeur finale, la source attendra que la tension du bus se stabilise Et puisenvoi d’un signal de mise sous tension couler unÀ ce stade, l’évier peut augmenter sa consommation de courant. Le même processus de communication se produit lorsque l’évier souhaite que la tension du bus chute, lors de 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 l’alimentation au consommateur

Cette méthode de communication garantit que tout changement d’alimentation sur le bus est dans les capacités de la source et du récepteur, évitant ainsi les conditions incontrôlables. Lorsque la connexion du câble de type C est déconnectée, l’alimentation du bus est également coupée. Untoute nouvelle connexion fera certainement la détection de connexion de câble, et la tension est toujours à 5V, de sorte que ilPeut éviter une haute tension lorsque le câble est connecté d’un appareil à un autre.

La communication USB utilise le code de marquage biphasé (BMC), qui est un code de communication sur une seule ligne. La transmission des données 1 nécessite un processus de commutation entre les hautes et les basses tensions, 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). Packet, EOC), voir la figure ci-dessous :



La figure ci-dessous montre la forme d’onde d’une communication qui nécessite une augmentation de la tension du bus de dense à étendue. La séquence du préambule peut être vue à partir de la dernière forme d’onde développée.



Les données de communication BMC peuvent être décodées à l’aide d’un décodeur USB, tel que 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, qui contient des données temporelles telles que la valeur de la tension du bus, la forme d’onde sur le CC fil, etc., voir la figure ci-dessous




4. Liste de configuration de l’alimentation

La spécification USB 3.0 définit la liste de configuration d’alimentation suivante :



Il existe 4 valeurs de tension distinctes qui sont prédéfinies : 5 V, 9 V, 15 V et 20 V. Pour 5V, 9V et 15V, le courant maximum est de 3A. Dans une configuration 20V, si le câble est normal, la sortie maximale autorisée est de 20V/3A (60 W). Si un câble spécialement personnalisé avec ETronique Marque (E-Mark)est utilisé, les données correspondantes peuvent être agrandies à 20V/5A (100 W). Un système qui prend en charge la tension et la puissance les plus élevées gradeDoit également prendre en charge toutes les tensions et puissances inférieures grades.


5. Câble avec ETronique Mark (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 basse vitesse. Mais pour les câbles USB 3.1 qui prennent en charge super transmission rapide de données, ou câbles avec des courants supérieurs à 3A, ETronique Marquedoit être utilisé. Le câble illustré sur la figure ci-dessous contient un circuit intégré 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, qui nécessitent tous l’alimentation du VCONN Wierdu câble.



Le Vconn dans le câble contenant le ETronique Marquela puce contient une résistance de traction 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 de la source verra la chute de tension de CC1 et CC2. Le changement de tension spécifique indiquera à l’hôte quel finest tiré vers le bas par la résistance de 5,1 kΩ de l’extrémité de l’évier, et qui finest tiré vers le bas par le 1KΩ résistance du câble, donc tLe sens d’insertiondu câblepeut être déterminée. L’effet de pull-down de Ra permet également à l’extrémité source de savoir que VCONN a besoin d’une alimentation 5V, il doit donc fournir de l’énergie à l’extrémité CC pour répondre aux exigences d’alimentation de l’extrémité ETronique Marque.



La figure ci-dessous montre un cas de test,WhIchL’extrémité de l’alimentation (source) est reliée à l’extrémité de consommation d’énergie (évier) par un câble avec un ETronique Marque, et le câble est dans un état inversé. On peut voir que lorsque le câble est connecté, un CC filà l’extrémité de la source est tiré à une très basse tension par unKΩ résistance de l’extrémité VCONN.

La source findétectera cette tension et saura que le câble contient un ETronique Marquez la puce, il connectera donc le VCONN 5V au CC filpour alimenter le circuit interne du câble.

La communication de DP qui aura lieu plus tard comprendra la communication entre la source et le ETronique Marque(appelée SOP' ou SOP), et la communication entre la source et l’évier (appelée SOP)




6. Double rôle de l’alimentation

Certains périphériques USB Type-C peuvent être utilisés à la fois comme source et comme récepteur, et ils sont appelés périphériques qui prennent en charge deux rôles (Dual Role for Power, DRP). Les bornes CC1 et CC2 de cet appareil sont dans un état d’alternance de niveaux haut et bas. Avant l’interconnexion, une fois la connexion établie, les bornes CC des deux changent, comme le montre la figure ci-dessous.


Dans ce cas, le périphérique DRP de gauche est sélectionné comme source et le périphérique DRP de droite est sélectionné comme récepteur. Cette situation peut également être inversée, à moins qu’un périphérique DRP n’ait été configuré pour sourcer en premier (par exemple, lorsqu’il est alimenté par un adaptateur d’alimentation externe) ou pour descendre en premier (par exemple, lorsqu’il est alimenté par une batterie).

Le changement de rôle d’alimentation peut également se produire pendant la connexion, à condition que l’un des deux périphériques DRP lance la demande de changement de rôle. La figure suivante illustre le processus de changement de rôle.






 

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