Типы зарядных портов

Статья из цикла питание и заряд. Автор — Kargal.

---

Типы зарядных портов

Использование USB-порта

При подключении к USB-порту портативное устройство (PD) не имеет права потреблять по питанию более 100 мА. Этого достаточно для проведения процедуры опознавания (digital negotiation), в которой PD определяет возможности порта по питанию (для стандартных портов USB 2.0 – 500 мА, USB 3.0 – 900 мА). Длительность процедуры – до двух секунд. После опознавания допускается ток потребления не превышающий номинал данного порта. В случае превышения тока потребления порт снижает напряжение или его совсем отключает (встроенная защита порта от перегрузки).

#) После отключения PD от зарядного порта подключать его снова (или к другому зарядному порту) следует, во избежание ошибки опознавания, не ранее чем через 15 сек после предыдущего отключения. (Декларированное стандартом время «забывания» о предыдущем подключении – до 10 сек).

Battery Charging v1.2 Spec (BC1.2, 2010)

В настоящее время действует редакция спецификации на зарядку батарей от USB от 2010г — «Battery Charging v1.2 Spec and Adopters Agreement» и современные устройства вроде как должны ей соответствовать. Она определяет типы портов с разной функциональностью и разными возможностями по мощности (току) питания подключаемых устройств.

#) Более компактное и менее педантичное чем в спецификации BC1.2 описание типов портов можно встретить в материалах (Data sheet, Application Note) производителей микросхем контроллеров порта зарядного устройства. Например: The Basics of USB Battery Charging.

Классификация портов ЗУ (Charger’ов)

• SDP (Standard Downstream Ports) – обмен данными и зарядка, допускает ток до 0,5 A.
• CDP (Charging Downstream Ports) – обмен данными и зарядка, допускает ток до 1,5 A; аппаратное опознавание типа порта (enumeration) производится до подключения гаджетом линий данных (D- и D+) к своему USB-приемопередатчику.
• DCP (Dedicated Charging Ports) – только зарядка, допускает ток до 1,5 A (÷5 A).
• ACA (Accessory Charger Adapter) – декларируется работа PD-OTG в режиме Host (с подключением к PD периферии – USB-Hub, мышка, клавиатура, HDD и с возможностью дополнительного питания), для некоторых устройств – с возможностью зарядки PD во время OTG-сессии.

Каждый PD имеет схему (компаратор), с помощью которой он определяет наличие на линии питания VBUS напряжения, превышающее его внутреннее (0.8÷4V) и момент его появления (подключения к ЗУ). После подключения по VBUS PD либо пытается убедиться, что подключены шины данных, либо тупо ждет 300÷900 мсек в расчете, что подключение разъема завершится, после чего приступает к опознаванию типа порта ЗУ (primary detection).

#) При подключении PD к порту (вставка разъема) он может обнаружить наличие напряжения питания (VBUS) и начать процедуру опознавания раньше, чем подключатся линии данных (D- и D+). Контрольный интервал 200 мсек. При превышении этого интервала происходит ошибка опознавания – первичный протокол опознания (Primary Detection) определит подключаемый порт как SDP и PD позволит себе потреблять ток не более 500 mA независимо от реального типа порта. Соответственно, зарядка не происходит.

Процедура опознания ЗУ (Charger’а)

Данная процедура, производимая портативным оборудованием (PD) при его подключении, позволяет ему определить тип порта, к которому оно оказалось подключено, и позволить себе потреблять максимально возможный от данного порта ток.

На первом этапе (primary detection) PD выдает +0.6±0.1V на линию D+ и «оттягивает» линию D− к GND током ~100мка. В этом состоянии PD проверяет напряжение UD− (на линии D−). Если напряжение UD−<+0.32±0.07 V, то порт опознается как SDP, если +0.32±0.07 V <UD−<+0.8 V — как CDP или DCP. Но если напряжение UD− окажется больше чем 0.8V, PD будет считать, что он к порту не подключен и позволит себе потреблять по питанию не более 2.5 mA (ISUSP).

На втором этапе (secondary detection) PD выбирает между CDP и DCP: выдает +0.6±0.1V на линию D− и «оттягивает» линию D+ к GND током ~100мка. В этом состоянии PD проверяет напряжение UD+ (на линии D+). Если напряжение UD+<+0.32±0.07 V, то порт опознается как CDP. Если +0.32±0.07 V <UD+<+0.8 V – как DCP

DCP Divider Mode Selection

◀ при D+=D−=2.0 V устройству разрешено потреблять до 500 мА;
◀ при D+=2.0 V и D−=2.7 V — до 1 A (схема «Divider1 DCP»);
◀ при D+=2.7 V и D−=2.0 V — до 2 A (схема «Divider2 DCP»).

---

◀ Используются индивидуальные для линий D+ и D− резистивные делители от выходного напряжения +5V (VBUS):
для U=2.7 V — делитель +5V←43kΩ/51kΩ→GND (2,713 V);
для U=2.0 V — делитель +5V←75kΩ/51kΩ0→GND (2,024 V).

DCP Short Mode, Chinese standard YD/T 1591-2009, ITU-T L.1000 (06/2011)

◀ Для разрешения потреблять от зарядного устройства (ЗУ, Charger) ток более 500 mA необходимо чтобы внутри ЗУ линии D− и D+ были соединены между собой и изолированы от других цепей. (Схема «DCP Short Mode»).

Декларированный (Rated) выходной ток такого ЗУ должен быть от 500 mA до 1500 mA, максимальный ток (в том числе и ток короткого замыкания) не должен превышать декларированный более чем на 50% (по спецификации) и не должен превышать 1500 mA (по ограничению на ток разъема USB).

Выходное напряжение должно быть в пределах 4.75÷5.25 V при нормальной нагрузке.

Korean tablet charging mode («Samsung»)

◀ Зарядка разрешена током более 500 mA если D+ и D− соединены, но подключены к некоторому (<2V) напряжению. (Похоже на схему «DCP Applying 1.2 V to the D+ and D− Lines»).
#) На рынке встречаются ЗУ (например СЗУ ETA-U90EWE, под брендом «Samsung»), имеющие такую же кодировку, но с напряжением 2.0÷2,15 V. А GPS-навигатор HP iPAQ 31x требует на D+ и D− напряжения ~3 V.

Dedicated Charging Port (DCP)

Специализированный USB-порт для зарядки DCP предназначен для питания и быстрой зарядки портативных устройств на максимальном номинальном токе. Используется в таких устройствах как сетевые (СЗУ) и автомобильные (АЗУ) устройства, от которых не требуется участвовать в обмене данными.
#) В спецификации скромно упоминается, что порт DCP как класс способен выдавать в нагрузку до 5 A, но реально все ЗУ формально декларируются на максимальный ток до 1,5 A (видимо, в угоду допустимому для разъема USB току). Встречаются 3÷5-амперные ЗУ, но они имеют 2÷3 выходных разъема. Например, по два разъема у 2,5-амперного СЗУ Ginzzu GA-3212U и 3-амперного АЗУ GINZZU GR-4415U, три разъема у 5-амперного АЗУ TITAN HW-25EC, пять разъемов у 4-амперного СЗУ Tmashi Universal 5 V / 4.1 A.
Для идентификации DCP оборудованы цепями, формирующими специфические свойства линий данных (D+ и D−). Схемы с низкоомными источниками идентификационных напряжений:

---

В такие схемы могут конфигурироваться специализированные контроллеры адаптеров (например, TPS2511 от Texas Instruments).

• DCP Short Mode номинируется на ток до 1,5 A (допускает ток до 1,8 A); определяется PD с опознаванием по Short Mode (YD/T 1591, ITU-T L.1000) и по BC1.2.
• DCP Applying 1.2 V to the D+ and D− Lines– используется «в некоторых планшетах» (смысл и параметры – непонятны:
  • Возможно Korean tablet charging mode.
  • Возможно может быть понято устройством с опознаванием по Divider Mode или по BC1.2 определится как SDP и будет позволен ток до 0,5 A).
• Divider1 применяется в 5 W адаптерах (допускает ток до 1,0 A); определяется PD с опознаванием по Divide Mode Selection.
• Divider2 применяется в 10 W адаптерах (допускает ток до 2,0 A); определяется PD с опознаванием по Divide Mode Selection.

Похожие схемы реализуются и на индивидуальных для линий D+ и D− резистивных делителях от выходного напряжения +5V (VBUS).

◀ Например, штатные зарядные устройства iPod и iPhone («Apple») обозначают допустимые значения тока методом, похожим на DCP Divide Mode Selection, но потенциалы линий D− и D+ несколько отличаются:
— при D+=D−=2 V устройству разрешено потреблять до 500 мА;
— при D+=2.0 V и D−=2.8 V – до 1 A (5 W, divider modes Apple 1A);
— при D+=2.8 V и D−=2.0 V– до 2 A (10 W, divider modes Apple 2A).

---

◀ При этом напряжения формируются делителями:
— для U=2.0 V – 51kΩ/33kΩ (1,964v); 75kΩ/51kΩ (2,024v)
— для U=2.8 V –33kΩ/43kΩ (2,827v); 39kΩ/51kΩ (2,833v)

---

А Maxim Integrated предлагает в своих контроллерах адаптеров следующие варианты схем идентификации ▼

Что и кому позволяет «Sony Charger» (3.3V) – непонятно, возможно, GPS-навигатор HP iPAQ 31x (3.0V).

До появления первого стандарта («Battery Charging Spec v1.0 and Adopters Agreement», 2007 г.) производители мощных PD были вынуждены пойти на разные хитрости для обеспечения их совместимости как со штатным мощным зарядным устройством, так и со стандартным портом компьютеров, который не обеспечивают полномерного питания устройства. Наверное этим и объясняется многообразие типов кодировки допустимого тока в портативных устройствах различных производителей и их штатных ЗУ.

«Первая ласточка» на рынке

Появилось первое АЗУ, для которого продавцом (производителем??) приведены данные по кодировке типов портов – SaixiangGL005-KK/GL005-KKF(2xUSB до 4.8A, вход 12V-24V) Saixiang usb car chargers.

5.2V/4.2A;
Size: 35×25×100mm;
Порты [DCP Divider1]&[DCP Divider2]
Варианты GL005-KK и GL005-KKF отличаются нагрузочными характеристиками портов. Судя по описанию продавца: GL005-KK имеет ограничение суммарного тока двух портов (current of 4.2 Amps, double USB sharing), GL005-KKF ограничивает токи портов индивидуально (по 2A на каждом).
Подробнее — в статье «АЗУ Saixiang с поканальным ограничением тока».

Интеллектуальные системы «быстрой зарядки»

На путь борьбы против неунифицированности системы определения гаджетами типа зарядного порта выступили фирмы-производители зарядных устройств. В 2014г компания Anker выпустила серию зарядных устройств (СЗУ и АЗУ) разной мощности, основанных на PowerIQ-технологии опознавания свойств гаджета и оптимальной для него кодировки зарядного порта.

В 2015г компания Tronsmart выпустила на рынок 40-ваттное СЗУ (Smart USB Charger) с использованием VoltIQ-технологии опознавания.

Обе компании хвалятся обеспечением оптимизации зарядки любых гаджетов, в произвольной комбинации и в любом количестве. «Технология опознавания разумно идентифицирует подключенное устройство и индивидуально подставляет кодировку, в которой он нуждается для полной скорости зарядки».

Но по их декларациям определить подойдет ли данное ЗУ именно твоему гаджету — невозможно. Полной информации о принципе действия и алгоритме не публикуется.

По официальному заявлению ЗУ Anker «динамически определяют и адаптируются к уникальному зарядному протоколу вашего устройства, позволяя ему заряжаться на полной скорости». Изделия от Anker появились раньше, и сейчас уже можно встретить замечания и отзывы пользователей. Например, встретилось кулуарно-скромные заявления Anker «… некоторые GPS и Bluetooth устройства не поддерживаются», «Ipod Nano, Ipod Классические, HP TouchPad, Dell Venue Pro 11 и Asus таблетки не поддерживаются».

Есть и интересно-полезные отзывы:

• И таки да, работает перебором — перебирает все известные стандарты USB ЗУ, запоминая ток; где ток максимальный — на том и останавливается.
• «4 из 5 портов перестали работать» – ответ Anker: Попробуйте отключить кабель питания и все кабели USB от зарядного устройства оставьте его 15 минут. Это должно сбросить текущие ограниченные переключатели и вы будете хорошо идти.

 

Толковых отзывов пользователей на Tronsmart пока (май 2015) не встречается. На пользовательском уровне есть обзоры 40W СЗУ Tronsmart, «Smart USB Charger» и попытка сравнения одинаковых по мощности (40W) СЗУ Anker и Tronsmart.

PowerIQ^TM technology (Anker)

a) АЗУ (Car Charger):
♦ Anker 24W Dual-Port USB Car Charger (~$10);
b) СЗУ (Wall Chargers) – есть вопросы/ответы и отклики пользователей:
♦ Anker 60W 6-Port Desktop USB Charger (~$29);
♦ Anker 40W 5-Port Desktop USB Charger (~$23);

VoltIQ technology (Tronsmart)

♦  Tronsmart 40W 5-Port USB Charger (~$16);

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
«Мастер пайки» – Вскрытие и ремонт клеенного блока питания и видео по теме.

---