Питание и заряд 5V-гаджетов

Статья из цикла питание и заряд. Автор — Kargal.

---

Общая информация

USB-разъёмы подключения гаджетов

В последние годы заметно проявилась тенденция унификации разъёмов «данные/питание» разных гаджетов разных производителей (пожалуй, только Apple продолжает идти «своим путём»).
С целью минимизации размеров используются разъёмы mini-USB или micro-USB, имеющие по пять контактов и одинаковую цоколёвку.

Цоколёвка разъёмов и варианты подключения кабелей приведены в таблице ▼

Pin#	1 VBUS	2 D−	3 D+	4 ID	5 GND
Цвет провода	——————	——————	——————	—————— None	——————
	Red	White	Green		Black
Data-кабель	+5V input	-Data	+Data	NC	GND
OTG—кабель	+5V output	-Data	+Data	connected→   GND
ЗУ «DVR»	NC	NC	NC	+5V input	GND
«Garmin»	+5V input	-Data	+Data	18 kΩ→         GND
ЗУ «Motorola»	+5V input	NC	NC	200 kΩ→       GND
ЗУ «Glofish»	+5V input	NC	NC	connected→  GND

Основному USB-стандарту соответствуют два кабеля:

• «Data-кабель» — используется для зарядки и информационного подключения к ПК в режиме «Slave»; в этом кабеле pin4 ни к чему не подключен (NC — not connected).

#) Во всех разрешающих зарядку (не OTG) случаях шины данных (D− и D+) используются двояко — в течение ~2-х секунд после появления внешнего напряжения питания на pin1 гаджет по потенциалам и свойствам линий данных определяет тип зарядного порта. «Знать» тип зарядного порта гаджету нужно для определения максимально допустимого тока для данного зарядного устройства (далее — ЗУ). После идентификации порта гаджет позволяет себе потреблять ток для работы/зарядки, а если порт оказался сигнальным (типов SDP или CDP), то ещё и обмениваться данными в роли USB-периферийного (Slave) устройства.

• «Кабель OTG» — соединение pin4 (вход «Ident») c pin5 (GND) обычно осуществляется непосредственно в кабельной части разъёма и вынуждает гаджет работать в режиме «Host» — питать и обслуживать подключаемую периферию (мышь, флэш-накопитель, внешняя клавиатура и т.д.). Данный кабель не позволяет осуществлять внешнее питание или зарядку гаджета, имеющего режим USB-OTG. Стандарт BCv1.2 допускает возможность зарядки в Host-режиме USB-OTG устройства, опознающего порт типа ACA (уже не этим кабелем), но о существовании в природе таких устройств пока ничего не известно.

Пользуясь нестрогостью соблюдения стандарта многие производители гаджетов позволяют себе некоторые шалости по использованию контактов разъема без оповещения пользователей. Это обстоятельство затрудняет возможность замены штатного ЗУ на универсальное при утере/поломке штатного или при организации дополнительного поста зарядки. Например:

• «ЗУ DVR» — существует множество моделей автомобильных видеорегистраторов, питание которых может осуществляться двумя способами:
  1. При подключении стандартным data-кабелем регистратор «оживает», но не приступает к записи, а предлагает длинные занудные переговоры (через меню, с помощью кнопок) для объяснения регистратору что от него сейчас требуется.
  2. При подключении особенным кабелем «ЗУ DVR» (питание +5 V подается на pin4) такой регистратор сразу приступает к съёмке, что позволяет организовать его автоматическое включение в автомобиле при запуске двигателя.
• «Garmin», «ЗУ Motorola» — pin4 подключается к pin5 (GND) через резистор, величина которого задаёт гаджету режим работы/зарядки (см. статью «Зарядка гаджетов через USB»).
• «ЗУ Glofish» (и наследники Glofish) — pin4 закорачивается на pin5 (GND) для разрешения потребления более 0.5 A (см. тему на форуме 4PDA).

К сожалению, легкодоступной информации по таким ухищрениям применительно к конкретным моделям гаджетов не существует — производители то ли хитрят, оберегая свой бизнес, то ли стесняются своих извращений. Встречаются только разрозненные и не очень чёткие упоминания на форумах. Остаётся надеяться, что сообщество пользователей отмобилизуется и создаст базу данных.

Пользовательские характеристики зарядных устройств (ЗУ)

Напряжение

ЗУ с USB-разъёмами подключения нагрузки номинируются на U_вых=5 V и обычно реально соответствуют USB-спецификации – U_вых=4,75÷5,25 V. (Хотя встречаются исключения).

Специализированные автомобильные (АЗУ) и сетевые зарядные устройства (СЗУ), даже номинирующиеся на 5 V, могут иметь несколько повышенное напряжение. Например, планшеты на Rockchip RK3066, имеющие контроллер заряда OZ8555, требуют от ЗУ U_вых=5.6÷5.7 V, что и реализуется в штатных ЗУ. Такие ЗУ обычно имеют встроенный выходной кабель со специализированным (не USB) разъёмом подключения к гаджету.

Некоторое превышение напряжения над стандартным (до 5.3÷5.4 V) полезно и для мощных гаджетов, питающихся через USB-разъем, для компенсации падения напряжения на кабеле питания. И производители гаджетов это реализуют — штатное СЗУ для планшета Freelander PX1/PX2 (со встроенным кабелем и разъёмом microUSB) расчётно выдаёт U_вых=5.3 V (при номинации 5 V).

К вопросу о максимально допустимом напряжении ЗУ. Современные гаджеты имеют в своём составе контроллер заряда, управляющий режимом потребления тока от ЗУ (при зарядке и при работе) с помощью ШИМ-преобразователя. То есть приведение напряжения ЗУ к напряжению батареи (3.3÷4.2 V) производится без излишнего выделения тепла и прочих неприятностей. Типично максимально допустимые напряжения питания таких контроллеров составляют: рабочее — 5.5 V, предельное (срабатывание защиты по перенапряжению – OVP) — 6.0÷6.5 V; то есть, любой гаджет может спокойно работать с ЗУ, имеющим напряжение холостого хода до 5.5 V (и не сгорит при 6 V). Некоторые контроллеры сохраняют работоспособность до 6.5 V.

Ток

Все зарядные устройства номинируются производителем на ток, значение которого обязательно прописывается на этикетке ЗУ (иногда номинируются по мощности, для 5 V – ~5 W/A). Но эта цифра вовсе не означает, что такой ток будет получать конкретный (именно Ваш) гаджет. Это скорее утверждение, что никакой гаджет не сможет получить с данного ЗУ ток больше указанного. А для китайских ЗУ эта цифра ещё и завышена процентов на 30÷50. Номинация производится по максимальным возможностям полупроводниковых преобразователей, но недостаточный теплоотвод и низкое качество индукторов и конденсаторов зачастую не позволяют реализовать эти возможности в долговременном режиме (более трёх минут).

Выход простой — любой гаджет может использовать ЗУ с номинацией по току в 2÷5 раз большей, чем необходимый ему ток. В этой ситуации у гаджета просто руки не связаны (напряжение ЗУ не снижается и нет внешнего ограничения тока) и он будет брать ровно столько, сколько ему в данный момент необходимо (сколько позволяет встроенный контроллер заряда гаджета). Типично при наполовину разряженной батарее потребляется максимальный для данного гаджета ток, по мере приближения к полному заряду ток плавно снижается.

Различные гаджеты по-разному ведут себя в режиме совмещения зарядки с работой. Некоторые имеют одно общее значение максимального тока потребления — при только зарядке в аккумулятор поступает весь ток, а при включении экрана ток собственно заряда уменьшается на долю, потребляемую экраном. У других гаджетов токи заряда и работы контролируются раздельно — при включении экрана ток заряда не изменяется, а ток потребления увеличивается на долю, потребляемую экраном. При этом суммарное потребление не может превышать некоторого «абсолютного» максимума для данного гаджета, например, значения, жестко заложенного в гаджет или разрешённого типом опознанного используемого зарядного порта.

Встречающиеся неприятности

Маломощные, потребляющие до 0.5A, гаджеты (простые телефоны, видеорегистраторы, навигаторы) обычно неприятностей не приносят. Разве что, явная неисправность — самого гаджета или соединительного кабеля.
С мощными гаджетами ситуация посложнее (при попытках работать с нештатным ЗУ). Встречается много жалоб типа «не заряжает», «заряжает медленно». Среди всех возможных существуют варианты причин:

• ЗУ не соответствует требуемому току. При подключении гаджета ЗУ входит в режим ограничения тока на уровне, недостаточном для данного гаджета, и снижает выходное напряжение. Например, гаджету требуется 0.9 A. Некое зарядное устройство номинируется на 1.0 A, но реально может выдавать не более 0.7 A — низкое качество ЗУ, обман в номинации. Требуется замена ЗУ.
• ЗУ не соответствует требуемому напряжению. Производители гаджетов не очень строго следят за соответствием требуемого гаджету напряжения стандартному значению (типично 5.0 V). А в штатных ЗУ они «подмухлёвывают», настраивая ЗУ на завышенное 5.2÷5.4 V, но номинируя их на 5.0 V. В результате гаджеты отказываются работать с «честными» чужими ЗУ. Требуется замена ЗУ (только ввиду их безликости непонятно какое выбрать) или подстройка выходного напряжения имеющегося ЗУ (требуется вскрытие).
• Непригодный кабель питания (см. статью «USB-кабели и кабели питания»). Для полного заряда литиевого аккумулятора необходимо напряжение на нём поднять до уровня 4.2 V (появились модели с уровнем 4.3 V). Кроме того, на ключе встроенного в гаджет контроллера заряда при прохождении зарядного тока может падать 0.3÷0.7 V. То есть, для нормальной зарядки на входном разъёме питания гаджета необходимо обеспечить напряжение не менее 4.5÷4.9 V. Соединительные кабели (особенно если применяется data-кабель, да ещё и китайский) могут иметь сопротивление линий питания 0.3÷0.8 Ω, что при токе в 1.5 A «съедает» ещё 0.45÷1.2 V. В результате для зарядки с таким током не хватает напряжения ЗУ. Зарядка происходит долго (а при включённом экране вплоть до «никогда»). Требуется замена кабеля на другой, с меньшим сопротивлением (с более толстыми жилами питания).
• Неподходящая кодировка типа зарядного устройства. При использовании в гаджете совмещённого разъёма данные/питание типа micro-USB или mini-USB от него требуется умение определять тип порта, к которому он подключается. Это необходимо, чтобы гаджет мог подключаться и к стандартному USB-порту компьютера, не перегружая его (для обмена данными), и к мощному ЗУ, способному запитать/зарядить мощный гаджет. При подключении гаджета (при появлении внешнего напряжения на его шинах питания), его контроллер заряда по состоянию линий данных определяет тип порта (его нагрузочную способность) и позволяет себе потреблять ток только в пределах возможностей опознанного типа порта. Если тип порта даже достаточно мощного ЗУ гаджетом не опознаётся, его контроллер не позволит себе брать больше 500mA (что соответствует нагрузочной способности стандартного USB-порта компьютера). Таким образом, гаджет конечно же не зарядится, если сам потребляет 1.5 A. Просто замедлится его разряд. Признаки типов портов описаны в статье «Типы зарядных портов».

#) К сожалению, исторически сложилось несколько не очень совместимых систем кодировки типа порта, и какой кодировкой пользуется конкретный гаджет не указывается в его документации. Существуют только невнятные и неоднозначные намеки: «ЗУ для Samsung», «ЗУ для iPad», но какие из универсальных ЗУ подходят для них — непонятно. А о представителях мощного потока изделий китайской промышленности и говорить нечего. (Хорошо бы создать базу признаков для всех мощных гаджетов и в представлениях новых моделей на форумах предъявлять их).

Та же неразбериха и с универсальными ЗУ. Уже появились ЗУ с разными надписями («Samsung» и «Apple» например) и кодировками на разных разъемах USB-AF, но на некоторые встречаются отзывы: «Разъём с надписью Apple заряжает Samsung Galaxy Note 2 быстрее, чем второй, с надписью Samsung». У некоторых все USB-разъёмы запараллелены, то есть, имеют независимо от надписей одинаковую кодировку.

Изменение выходного напряжения ЗУ

Сетевые ЗУ (СЗУ)

Основная статья — «Сетевые ЗУ»

Типичная схема низковольтной части качественного сетевого ЗУ ▼

Здесь HL – светодиод оптрона обратной связи, DA – параллельный стабилизатор, фактически использующийся в режиме компаратора. Полная схема стремится установить такое выходное напряжение U_out, чтобы напряжение на выходе делителя R_U/R_L было равным внутреннему опорному напряжению U_ref стабилизатора DA. Для стабилизаторов семейства TL431 U_ref=2.5 V, для семейства TLV431 – U_ref=1.25 V. Величину U_ref реально замерить цифровым вольтметром на включённом и нагруженном ЗУ, через резистор 50÷100 kΩ (для обеспечения устойчивости схемы во время измерения).

#) Осторожно! Первичная сторона под высоким напряжением.

Для подъёма U_out на ~10% необходимо изменить параметры делителя R_U/R_L так, чтобы напряжение на его выходе (точка соединения R_U и R_L) равнялось U_ref не при 5,0 V на выходе ЗУ, а при ~5,5 V. Проще всего это устроить добавлением шунтирующего резистора R_L-Ш. Его величина должна быть:

Для U_ref=2.5 V: R_L-Ш=5*R_L;

Для U_ref=1.25 V: R_L-Ш=7.5*R_L;

(Величину R_L в конкретном ЗУ можно определить по его маркировке или реально замерить цифровым омметром на выключенном ЗУ и отключенной нагрузке).

Для снижения U_out проще всего шунтировать R_U.

#) Для ковыряния во внутренностях ЗУ хорошо бы иметь у него разборный (не склеенный) корпус.

Автомобильные ЗУ (АЗУ)

 

Основная статья — «Автомобильные ЗУ»

В автомобильных ЗУ обычно используются понижающие (Buck, StepDown) ШИМ-преобразователи. Типичная выходная часть схемы ▼

Здесь:
SW — выход встроенного силового ключа преобразователя;
C_BS — ёмкость вольтодобавки, используется только для преобразователей с N-MOS (или NPN) силовым ключом;
VD1 — клампирующий (фиксирующий) диод, используется только для простых (не синхронных) преобразователей;
C_COR – ёмкость коррекции обратной связи (может не использоваться);
R_U и R_L — исходный делитель обратной связи, задающий величину выходного напряжения;
R_L-Ш — корректирующий резистор, добавляемый для повышения выходного напряжения.

Полная схема стремится установить такое выходное напряжение U_out, чтобы напряжение на выходе делителя R_U/R_L было равным внутреннему опорному напряжению U_FB стабилизатора.

Величину U_FB можно взять из data-sheet используемого преобразователя или реально замерить цифровым вольтметром на включённом и нагруженном ЗУ, через резистор 50÷100 kΩ (для обеспечения устойчивости схемы во время измерения).

Для подъема U_out на ~10% необходимо изменить параметры делителя R_U/R_L так, чтобы напряжение на его выходе (точка соединения R_U и R_L) равнялось U_FB не при 5,0 V на выходе ЗУ, а при ~5,5 V. Проще всего это устроить добавлением шунтирующего резистора R_L-Ш. Его величина должна быть:

Для U_FB=1.23 V: R_L-Ш=7.5*R_L — для преобразователей MC34063, LM2576, LM2596, ACT4070;

Для U_FB=0.925 V: R_L-Ш=8.2*R_L — для преобразователей CX8505, RT8272, AP6503, MP2307;

Для U_FB=0.80 V: R_L-Ш=8.4*R_L — для преобразователей AX4102, XL4005.

(Величину R_L можно определить по его маркировке или реально замерить цифровым омметром на выключённом ЗУ и отключенной нагрузке).

Для снижения U_out проще всего шунтировать R_U.

Электроника гаджетов

Контроллеры зарядки

OZ8555/o2micro

(Используется в планшетах на RK3066 – Hyundai Hold X700, Window N101/YUANDAO N101; PIPO M1, PIPO Max-M8 pro, PIPO Smart-S2; CUBE U9GT3)

Содержит в своем составе DC/DC-преобразователь для зарядки аккумулятора и питания гаджета. Требует напряжения внешнего питания 5.5÷5.9 V (не менее 5.4 V на входе в гаджет) и используется в гаджетах с отдельным (не USB) разъемом зарядки.

Data-sheet на OZ8555 не нашел, но, похоже, у него порог срабатывания защиты от недостаточного напряжения питания UVLO (Under Voltage Lock Out) равен 5.1÷5.3 V вместо привычных для 5-вольтовых гаджетов 3.9÷4.5 V. такое свойство вполне бы объяснило некорректность работы от «чужой» зарядки, выдающей менее 5.4 V.

BQ24190/TI

U_in-min — 3,9 V; Iin – 1.5/3 A

BQ24190 определяет тип зарядного порта в соответствии со спецификацией BG v1.2, при закороченных D– и D+ определяет порт как DCP и позволяет себе потреблять от внешнего питания ток более 0.5 A.

Ссылки

Блог «Mobilpower» – Проблемы с зарядкой

Форум «4PDA» – Зарядное устройство для коммуникаторов с mini/microUSB, что необходимо и что достаточно

Статья на «Rones.su» – Зарядка гаджетов через USB

Форум «USB.org» – Battery Charging v1.2 Spec and Adopters Agreement

«Maximintegrated» – The Basics of USB Battery Charging

---