Usb power delivery что это такое
Когда используется Power Delivery, и что происходит при установлении соединения между блоком питания и устройством
В прошлый раз я рассказывал про минимальный набор компонентов, который может быть включён в устройство для поддержки базовых функций USB-C. Но бывают ситуации, когда этих базовых возможностей недостаточно – например, нужно использовать несколько профилей напряжения, чтобы блок питания от одного устройства подходил к другому. Или же есть необходимость подстроить сами профили. Или просто нужна бОльшая мощность питания (в случае с USB-C доступный максимум – 15 Вт). Во всех этих ситуациях на помощь придёт стандарт Power Delivery. Он, например, используется в линейке зарядных устройств Apple – профили с бОльшим напряжением доставляют бОльшую мощность к устройству и позволяют его быстро заряжать. В нашем смарт-экране SberPortal есть узлы, которые требуют значительной мощности питания – прежде всего это высокопроизводительная система на кристалле (SoС) и акустика. Один только звук требует около 30 Вт. Поэтому при разработке устройства пришлось усложнить систему питания и реализовать Power Delivery. Об этом стандарте и пойдёт ниже речь.
Также разберёмся в его особенностях и посмотрим, как со временем изменился способ передачи данных в стандарте. А ещё я расскажу и покажу с помощью анализатора протокола, что происходит при установлении подключения в устройствах, на примере ноутбука с Power Delivery. Затем посмотрим, как мы реализовали PD в нашем смарт-экране SberPortal.
Особенности Power Delivery
Power Delivery расширяет возможности USB-C, позволяет использовать повышенное, по сравнению с привычным USB, напряжение на контактах VBUS – 20 В (и, как мы увидим, даже выше). При использования стандартного кабеля USB-C возможна доставка потребителю до 60 Вт, а при использовании ECMA кабеля – до 100 Вт.
Эти функции достигаются за счёт информационного обмена по линии СС. Кроме поддержки СС-логики, которая определяет роль устройства при установлении соединения, по этой линии происходит обмен сообщениями типа “запрос-ответ” между источником и потребителем.
Важная особенность стандарта – наличие PDO (Power Delivery Objects). PDO представляет собой профиль питания с заданным напряжением и током. Таких профилей в PD-источнике должно быть больше, либо равно 2. Другими словами, в одном адаптере находится несколько источников питания, выбор нужного при этом делается потребителем. Обязательный профиль – 5V/3А. Благодаря этому допустимо подключение устройства-источника, в котором реализован полноценный PD, к потребителю, где выполнена только базовая функциональность USB-C (СС-логика). В таком случае источник установит на своем выходе 5V.
Физический уровень
В первых ревизиях стандарта USB Power Delivery линия питания VBUS использовалась не только по прямому назначению, но и в качестве канала для обмена сообщениями между потребителем и источником энергии.
Пример двоичной частотной манипуляции (BFSK)
Такой вид передачи довольно помехоустойчив, так как помеха искажает в основном амплитуду сигнала, а не частоту. В последней редакции стандарта USB PD 3.0 BFSK больше не используется, и описание этого механизма передачи исключено из спецификации.
В последней на текущий момент ревизии 3.0 USB Power Delivery поддерживается только Biphase Mark Code (BMC). Передача данных происходит по одному из СС-контактов. Информационный обмен идёт в режиме полудуплекс с предотвращением коллизий и с 4b5b-кодированием для баланса постоянного тока.
BMC представляет собой версию манчестерского кодирования. Логический 0 соответствует отсутствию переключения в середине битового интервала, логическая 1 – наличию переключения. На границе интервалов переключение происходит всегда. Частота сигнала составляет 300 kHz ± 10 %.
Пример Biphase Mark Coding (BMC)
Уровень протокола
Уровень протокола формирует сообщения, используемые для передачи информации. Он отвечает за создание запросов, подтверждений, сообщений о возможностях.
Сообщения в зависимости от содержимого можно выделить следующие:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery
Почитав вот этот пост и сопутствующую ему дискуссию, я решил попробовать внести ясность в то, что такое USB Power Delivery и как это работает на самом деле. К сожалению у меня сложилось впечатление, что большинство участников дискуссии воспринимают 100 ватт по USB слишком буквально, и не до конца понимают что за этим стоит на уровне схематики и протоколов.
Итак, кратко – основные пункты:
О кобелях Про кабели
USB Power Delivery работает с шестью типами коннекторов:
Про порты
После сертификации USB PD порты маркируются следующим образом:
Данное лого информирует о версии USB (2.0 или 3.0 SuperSpeed), а также о профилях электропитания которые поддерживает данный порт. Значение ”I” означает потребляемый профиль, необходимый для полноценного функционирования устройства, а значение «О» то какой профиль порт может предоставить. Примеры маркировки портов:
Физический канал
USB PD определяет принципиальную схему физической организации соединения посредством кабеля следующим образом:
Как видно из схемы, USB PD также требует чтобы и в источнике и в приемнике были реализованы схемы определения падения/скачка напряжения, а так же методы определения разряженной батареи для случаев когда одна из сторон не может запитаться от своего внутреннего источника.
В качестве алгоритмов для определения разряженной батареи предлагаются следующее. Если одна из сторон выставляет сопротивление в 1кОм между экраном и землей, это свидетельствует о том что ее батарея разряжена. В такой ситуации другая сторона берет на себя роль источника и начинает отдавать минимальные 5В, чтобы дать через VBus питание противной стороне и начать обмен сообщениями по протоколу USB PD.
Как уже упоминалось ранее, для обмена сообщениями USB PD протокол использует линию VBus. Ниже приведена блок-схема, определяющая ключевые функциональные элементы передатчика:
И соответственно такая же блок-схема для приемника:
Сериализированная кодировка 4b5b и декодировка 5b4b подразумевает что все данные по шине, кроме преамбулы пакета, передаются пятибитными последовательностями в соответствии c таблицей кодировки, определяемой стандартом. Каждая такая последовательность кодирует либо одну из 16 цифр (0x00..0x0F), либо сигналы начала / синхронизации / сброса и конца пакета. Таким образом передача одного байта занимает 10 бит, 16-битного слова – 20 бит и 32-битного двойного слова – 40 бит и т.д.
Логический канал
USB PD протокол основывается на последовательных парах типа запрос-ответ. Запросы и ответы пересылаются с использованием пакетов. Пакеты состоят из преамбулы (фаза подготовки к передаче), начала пакета SOP (три сигнала Sync-1 и завершающий Sync-2 в кодировке 4b5b), заголовок, 0..N байт полезной нагрузки, контрольной суммы (CRC-32) и сигнала конца пакета (одиночный сигнал EOP):
Как было упомянуто выше, преамбула не кодируется в 4b5b. SOP, CRC и EOP кодируются 4b5b на физическом уровне, заголовок и полезная нагрузка кодируются на уровне логического протокола.
Сброс шины производится путем посылки трех сигналов RST1 и завершающего сигнала RST2, в соответствии с кодировкой 4b5b.
Протокол
Все USB PD сообщения состоят из заголовка и порции данных произвольной длины. Сообщения либо генерируются на уровне логического протокола и затем пересылаются на физический уровень, либо принимаются на физическом уровне и затем пересылаются на уровень логического протокола.
Заголовок сообщения имеет фиксированную длину 16 бит и состоит из следующих полей: 
Сообщения бывают двух видов – управляющие (control) и информационные (data).
Управляющие сообщения
Контрольные сообщения состоят только из заголовка и CRC. Количество объектов данных для таких сообщений всегда устанавливается в 0. Типы управляющих сообщений USB PD представлены в таблице ниже: 
Отдельно следует упомянуть что поля вида tSourceActivity, tSinkRequest и т.д. — это константы, значения которых глобально заданы самой спецификацией в отдельной главе. Сделано это потому что они определялись опытным путем в результате прототипирования, и найденные оптимальные значения просто подставили в отдельную главу, чтобы не рыскать по всей спецификации.
Информационные сообщения
Данный вид сообщений предназначен для получения детальной информации об источнике или приемнике, а также для передачи запрашиваемых характеристик электропитания – сила тока, напряжение и т.д. Информационные сообщения всегда содержат ненулевое значение в поле ”Number of Data Objects”.
Спецификация определяет четыре вида информационных сообщений:
Сообщение о характеристиках
Порт источника всегда обязан сообщать свои характеристики приемнику путем передачи серии 32-битных объектов PDO. Информация переданная посредством этих объектов используется для определения возможностей источника, в том числе включая возможность работать в режиме приемника.
Сообщения о характеристиках представляются в виде одного или нескольких объектов следующих за заголовком: 
PDO соответствующий элементу с постоянным типом электропитания 5V всегда должен идти первым в цепочке объектов.
Структура объекта PDO: 
Для каждого типа электропитания предлагаются различные характеристики.
Постоянный тип электропитания, напряжение постоянное. Источник должен иметь хотя бы один такой элемент: 
Программируемый тип электропитания, напряжение может регулироваться путем запросов в пределах между минимальным и максимальным: 
Вариативный тип электропитания, напряжение может изменяться в заданных пределах абсолютного минимума и абсолютного максимума, но не может регулироваться: 
Батарея, данный тип используется для обозначения батарей которые могут быть напрямую подключены к линии VBus: 
Сообщение о запросе
Сообщения о запросах передаются приемником к источнику для передачи своих требований в фазе установления соглашения по электропитанию. Данное сообщение посылается в ответ на сообщение о характеристиках и должно содержать один и только один объект запроса данных – RDO, который описывает информацию о требуемых характеристиках электропитания для приемника.
Данный запрос имеет два типа, в зависимости от адресуемого типа элемента электропитания, переданного в сообщении о характеристиках источника. Для запросов к элементу электропитания постоянного или вариативного типа, либо батареи поля ”Operating Current / Power” и ”Total Current / Prog Voltage” интерпретируются одним путем, а для запросов к элементу программируемого типа – другим путем, так как в этом случае запрашивается и напряжение, и сила тока.
Структура объекта RDO: 
На мой взгляд данной информации достаточно, чтобы получить хорошее представление о принципах работы USB Power Delivery. Я сознательно не стал углубляться в дебри, связанные с таймерами, счетчиками и обработкой ошибок.
Взаимодействие с традиционным USB
Как уже было упомянуто выше, Power Delivery – это самостоятельная подсистема, которая функционирует параллельно и независимо от канонического USB. Тем не менее, в случаях когда устройства реализуют оба протокола – и USB и Power Delivery, спецификация рекомендует реализацию т.н. System Policy Manager или SPM, компонента который может контролировать оборудование USB PD посредством традиционных запросов USB.
Для систем с поддержкой SPM, спецификация рекомендует предоставить PD информацию посредством специальных типов USB дескрипторов. Не считаю нужным в них детально углубляться, просто перечислю их названия:
Заключение
Надеюсь что данным постом я подогрел интерес публики к USB Power Delivery. Скромно замечу, что автор имеет непосредственное отношение к данной спецификации, поэтому готов ответить на любые вопросы по Power Delivery в частности и USB в общем.
Типы быстрых зарядок и нюансы используемых кабелей
Содержание
Содержание
Современные смартфоны потребляют намного больше энергии, чем их предшественники: больше быстродействие, больше экран, больше памяти, GPS, Bluetooth, Wi-Fi. Все это прекрасно, однако емкости аккумуляторов за прогрессом не поспевают. В результате многие современные смартфоны держат заряд не более суток. Рано или поздно вы забываете поставить вечером гаджет на зарядку, а утром понимаете, что через 15 минут выходить из дома, а заряда — «на донышке». Что делать? Бежать покупать портативный аккумулятор или можно что-то сделать за эти 15 минут?
Как долго должен заряжаться аккумулятор?
Так получилось, что USB стал стандартом для зарядных устройств всех гаджетов. Но разрабатывался этот стандарт, во-первых, давно, во-вторых, совсем не для этого.
Стандарт USB был разработан еще в 1996 году. Устройства тех лет, питающиеся от разъема USB, зачастую не имели контроллеров питания и могли просто сгореть, получив большой ток. Поэтому в стандарте вплоть до версии 2.0 максимальный ток составлял 500 мА, поэтому заряда смартфона с батарейкой емкостью в 3000 мАч требовалось 7-8 часов, хотя сам аккумулятор вполне мог бы потреблять 1,5 А и зарядиться за 2-3 часа.
Именно поэтому зарядка, идущая в комплекте с гаджетом, зачастую заряжает его намного быстрее — она просто выдает повышенный ток, рассчитанный на конкретный аккумулятор.
Сам стандарт разрабатывался для передачи данных, а не для питания. Разъемы и кабели USB не предназначены для больших токов, так что производители гаджетов столкнулись с неприятностями, начав выпускать такие зарядки с токами до 5А и более. Провода кабеля USB довольно тонкие, сопротивление их высоко. Но с увеличением тока падение напряжения на кабеле и его нагрев стали довольно существенными. Кроме того, появились случаи перегрева тонких контактов разъема. Поэтому большинство обычных зарядный устройств дают на выходе до 2А, а зарядка по-прежнему длится часами.
Что такое быстрая зарядка?
Это зарядка токами 1С и выше, то есть токами, кратными емкости аккумулятора. Например, 1А для емкости 1000 м·Ач и так далее. Поначалу такой режим считался крайне неблагоприятным для литий-ионных батарей. Но со временем ситуация изменилась — зарядка током 1С уже не вызывает заметного снижения ресурса у современных аккумуляторов, а зарядка током в 2С приводит к потере примерно 20 % емкости через 500–800 циклов заряда-разряда. Да, если пользоваться быстрой зарядкой ежедневно, через пару лет вы заметите падение емкости. Но вряд ли из-за этого стоит отказываться от возможности зарядить телефон за полчаса.
Чтобы не было потерь на тонких проводах, режимы быстрой зарядки используют повышенное напряжение в кабеле. ЗУ может выдавать напряжение до 20В, а в гаджете оно понизится до требуемых 5В с соответствующим увеличением тока. Например, если ЗУ обеспечивает напряжение 20В и ток 2А, то на аккумуляторе будут 5В и 8А.
Для сохранения совместимости со старыми ЗУ и компьютерными USB, новым зарядным устройствам пришлось «поумнеть» — теперь они не сразу выдают максимальные ток и напряжение, а только после получения запроса от гаджета. К сожалению, способы «общения» ЗУ и гаджета у каждого производителя свои.
Типы быстрой зарядки
Quick Charge — стандарт компании Qualcomm, поддерживается устройствами, собранными на базе чипсетов Snapdragon, начиная с 2013 г. Максимальный поддерживаемый ток — 3А и 5A в версии 4, напряжение может меняться от 3,6 до 20 В, а также до 22 в версии 3 и до 21 в 4+. Стандарт теоретически обеспечивает до 100 Вт мощности, но практически такая мощность устройствами не поддерживается, а штатные ЗУ выдают всего 18 Вт. Контроль температуры в стандарт не вписан, так что нередки случаи перегрева при быстрой зарядке. Сейчас большинство производителей смартфонов обеспечивают контроль температуры при использовании QC. А стандарт QC 4 имеет полную поддержку протокола Power Delivery.
Adaptive Fast Charging компании Samsung основан на Quick Charge 2 и частично с ним совместим, поэтому заряжать его от ЗУ с поддержкой QC 2 можно, но зарядка идет медленнее, чем от штатного. Контроль температуры есть, так что зарядка безопасна.
Motorola Turbopower компанией Lenovo так же разработан на основе стандарта Quick Charge 2, с которым полностью совместим. Отличия незначительны, основное заключается не в самом стандарте, а в наличии штатного ЗУ Motorola на 25 Вт против 18 Вт у поддерживающих QC 2. По скорости зарядки уступает QC и PD последних версий.
Huawei Super Charge применяется на устройствах Huawei и тоже основан на Quick Charge 2. Напряжение может достигать 5В, ток — 5А, давая в итоге максимальную мощность 25 Вт. По скорости зарядки уступает QC и PD последних версий.
Pump Express разработан компанией MediaTek и поддерживается гаджетами, собранными на базе SoC этого производителя. Он также основан на Quick Charge 2, и полностью с ним совместим. Его мощность ограничена 15 Вт, поэтому на емких аккумуляторах он покажет меньшую скорость зарядки по сравнению с другими стандартами. Зато в Pump Express есть контроль температуры аккумулятора, что значительно повышает безопасность зарядки.
Быстрая зарядка Apple совместима с Power Delivery. ЗУ Apple может выдавать до 87 Вт, что позволяет быстро зарядить не только все модели iPhone, начиная с 8, но и емкие аккумуляторы iPad Pro и MacBook 12.
Oppo Vooc (и основанный на ней Dash Charge) выбиваются из остального ряда — это оригинальные, ни с чем не совместимые стандарты. Используются на устройствах OnePlus и Oppo. Зарядное устройство выдает до 25 Вт мощности. Из-за несовместимости стандартов быстрая зарядка осуществима только с помощью оригинальных зарядного устройства и кабеля.
Power Delivery — наиболее перспективный стандарт быстрой зарядки, разработанный консорциумом USB в 2015 году. Стандарт поддерживает напряжения питания до 20 В и ток до 3А, что в итоге дает до 60 Вт мощности. А наиболее перспективным он считается из-за того, что «встроен» в новый стандарт USB 3.1 и теперь любые устройства, использующие разъем Type-C, должны либо поддерживать Power Delivery, либо смириться с недовольством пользователей, пытающихся заряжать гаджеты от ЗУ с поддержкой PD. Apple и Qualcomm уже выбрали первый вариант.
USB 3.1 + Power Delivery = некоторые проблемы
Теперь «умным и быстрым» ЗУ может быть любое устройство, поддерживающее USB 3.1. Заряжаемое устройство определит возможности заряжающего порта, измерив сопротивление между парой контактов разъема — CC и Vbus. Если порт может выдать максимум 0,9 А, как обычный порт USB 3.0, сопротивление будет равно 56 кОм, 22 кОм «скажут» гаджету, что ЗУ может выдать до 1,5 А, а 10 кОм — 3А.
Но как быть с кабелями-переходниками с Type-C на USB 2.0? У первого — 24 контакта, у второго — всего 4, а тех, между которыми ЗУ должно выставлять сигнальное сопротивление, просто нет. Консорциум USB решил встраивать резисторы прямо внутрь кабеля: 10 кОм в кабеля для мощных ЗУ, 22 кОм — для ЗУ с выходным током 1,5 А, ну и для 0,9 А — 56 кОм.
А если перепутать? Чаще всего — ЗУ не даст максимального тока и зарядка будет идти в разы дольше. Если же ЗУ попытается дать гаджету ток больше, чем оно способно, то может выйти из строя, а в худшем случае — испортить и гаджет.
Масла в огонь подлили китайцы, начав засовывать резисторы 10 кОм во все кабели-переходники с Type-C на USB 2.0. В том числе и в дешевые тонкожильные, неспособные выдержать те 3А, которые он якобы должен пропускать.
Чтобы всем стало совсем «весело», консорциум USB регламентировал установку в кабели Type-C маркирующей микросхемы eMarker, информирующей оба подключенных к нему устройства о возможностях кабеля. Проблема в том, что дорогостоящий кабель с микросхемой eMarker может быстро сгореть на паре ЗУ–гаджет, поддерживающей какой-нибудь стандарт быстрой зарядки, отличной от Power Delivery. eMarker питается от 5В, а тот же QickCharge 2 и все основанные на нем протоколы запросто могут поднять напряжение питающей линии до 18 В.
Вывод один — не используйте для быстрой зарядки «случайные» кабели. Это особенно важно для кабелей с разъемами Type-C, но актуально и для старых разъемов: невооруженным глазом не заметить, что у кабеля сечение жил меньше и разъем контактирует неплотно. В результате зарядка будет идти намного дольше, и это еще не самое худшее: возникающий из-за искрения контактов нагрев может привести к повреждению разъема или вообще к воспламенению прилегающего пластика. Настоятельно рекомендуется не пользоваться для зарядки «чужими» проводами, пусть они и выглядят подходящими.