Jak zaprojektować zasilacz 2 A lub więcej dla moich urządzeń USB?

Rozumiem, że wiele moich urządzeń konsumenckich ładowanych przez porty USB może ładować się z wyższą stawką niż 0,5 A. Jednak podczas testów odkryłem, że nie zużywają więcej niż to.

Konfiguracja testowa

• Mam zasilacz o napięciu od 0 do 30 woltów i od 0 do 20 amperów.
• Ustawiłem napięcie na 5 woltów, a następnie poprawnie podłączyłem żeńskie złącze USB do przewodów.
• Po podłączeniu Samsung Galaxy S4 Mini pobiera około 0,44 ampera. Tak samo jest z Samsung Galaxy Tab Pro.
• Jednak gdy podłączę iPada Air za pomocą oficjalnego kabla błyskawicy, pobiera on jedynie około 0,11 ampera.
• Próbowałem też podłączyć smartwatch ZGPAX S28 i wciąż było to około 0,44-0,45 amperów.

Zasilacz jest więcej niż w stanie wytworzyć maksymalne natężenie 2,1 A, więc dlaczego nie jest tak w przypadku tabletów?

Co muszę zrobić w konfiguracji testowej, aby przekonać urządzenia do zużycia maksymalnego prądu ładowania?

Powód, dla którego urządzenia Apple / Samsung nie pobierają większego prądu, jest prosty. Wynika to z faktu, że między urządzeniem Apple / Samsung a dedykowanymi zasilaczami trwa dodatkowa komunikacja danych. To sprawia, że ​​oba urządzenia rozpoznają się nawzajem i zgadzają się na zastosowanie wyższego prądu. Ładowarka ustawia określone napięcia na liniach danych USB i jest to rozpoznawane przez telefon lub tablet.

Twój zasilacz o wartości 20 A nie dostarcza tych napięć na liniach daty, więc nie „rozmawia” z urządzeniem Apple / Samsung, dlatego zakładają, że jest to zwykła „głupia” ładowarka i nie pobiera więcej prądu niż jest to dozwolone w standardzie USB co zwykle wynosi tylko 100 lub 500 mA

Aby naładować urządzenie Apple, ustaw te napięcia na liniach danych:

pożądany prąd: 2000 mA D-: 2,0 V D +: 2,75 V.

Ponadto, w zależności od stopnia naładowania akumulatora, prąd ładowania jest również ograniczony. Będzie maksymalny tylko wtedy, gdy akumulator będzie naładowany w 30–70% (te liczby to tylko przypuszczenie). Ładowanie wysokim prądem jest niekorzystne dla akumulatora, gdy jest bardzo niski lub prawie pełny.

Źródła:

Adafruit: Tajemnice ładowania urządzeń Apple

Voltaic: Wybór napięcia pinów USB

Oto bardziej kompletny artykuł, w którym wymieniono znane autorskie schematy identyfikacji dzielników rezystorowych D + / D dla ładowarek o dużej mocy. Istotą jest:

2,0 V / 2,0 V - niska moc (500 mA)

2,0 V / 2,7 V - Apple iPhone (1000 mA / 5 W)

2,7 V / 2,0 V - iPad firmy Apple (2100 mA / 10 W)

2,7 V / 2,7 V - 12 W (2400 mA, prawdopodobnie używane przez Blackberry)

D + / D- zwarte razem - standard USB-IF BC 1.2

1,2 V / 1,2 V - urządzenia Samsung

Wartości Samsunga pokrywają się z tym, co wskazano na tym schemacie ^{[oryginalne źródło]} przez dzielnik rezystora 10k / 33k dla ładowarek do tabletów 2A Galaxy.

Jak powiedziałem w moich innych uwag, istnieje również frytki off-the-shelf, które implementują niektóre z nich, np MAX14667 , TPS2513 , Microchip USB2534 lub CYUSB3324 . Arkusz danych tego ostatniego zawiera również więcej szczegółów na temat urządzeń Samsung:

Urządzenia Samsung stosują wiele metod ładowania. Niektóre urządzenia Samsung (tablety Samsung Galaxy) wykorzystują zastrzeżoną metodę ładowania, w której styki D + i D- są nastawione na ten sam potencjał (~ 1,2 V). Urządzenia z serii Samsung Galaxy S (S3, S4) są zgodne ze standardem ładowania USB-IF BC v1.2 dla trybu pracy DCP, CDP i SDP.

USB-IF BC 1.2 ma następujące wymagania dla trybu DCP:

• Linie danych D + i D– są zwarte wraz z maksymalną impedancją szeregową 200 Ω.

• Nie wolno odłączać zasilania, dopóki napięcie nie spadnie poniżej 2 V lub natężenie prądu nie przekroczy 1,5 A.

• Bezwzględny maksymalny pobór prądu jest dozwolony, ale nie wymagany, to limit złącza USB 2.0, do 5A

Również notatka Cypress mówi, że 2,7 V / 2,7 V -> 2,4 A jest [także] używane przez Apple. Dyskusja na forach TI, na których dzwonili pracownicy TI (dla ich TPS2513A), wskazuje to samo. Pracownik TI powiedział :

Począwszy od iPada3, używana jest bateria 42 Wh, długi czas ładowania staje się problemem. Porównaj czas ładowania, od 0% do 100%, ładowarka 2,1 A zajmuje 6 godzin, ładowarka 2,4 A zajmuje 5 godzin 40 minut. 20 minut szybciej, ale niewiele.

Uważamy, że głównym powodem, dla którego Apple wydała ładowarkę 2.4A, jest lepsze doświadczenie użytkownika podczas ładowania i grania jednocześnie. Podczas grania w wysokiej jakości gry wideo, takie jak Infinity II i ładowanie w tym samym czasie, procentowy wzrost baterii mojego iPada3 jest bardzo bardzo powolny, np. 30 minut później, tylko wzrost o 2 procent, co doprowadza mnie do szaleństwa.

Podczas korzystania z ładowarki 2,4 A stan baterii rośnie szybciej, przynajmniej czuję się normalnie, w porządku.

Zasilacz jest więcej niż w stanie wytworzyć maksymalne natężenie 2,1 A, więc dlaczego nie jest tak w przypadku tabletów?

Standard USB nie pozwala na pobieranie więcej niż 500 mA ze standardowego portu USB 1. Dopóki urządzenie nie nawiąże komunikacji z urządzeniem hosta USB, nie będzie wiedział, ile prądu jest dostępne.

Standard USB wymaga, aby urządzenia pobierały nie więcej niż 100 mA przed komunikacją z hostem i żądaniem większej mocy. Jest to ważne, ponieważ standardowy niezasilany koncentrator USB zużywa 500 mA - 100 mA dla siebie i 100 mA dla każdego z portów. Oznacza to, że niezasilany koncentrator nie może i nie powinien próbować dostarczyć 500mA do urządzenia USB.

Standard został zaprojektowany w ten sposób, aby obsługiwać różne zastosowania.

Oczywiście tylko Apple przestrzega tego standardu i zużywa tylko 100 mA przed zażądaniem większej mocy.

W rzeczywistości niewiele portów USB nie jest w stanie dostarczyć 500 mA bez pytania. Wielu nawet nie zadaje sobie trudu monitorowania zużycia prądu i wyłączania niezgodnych urządzeń USB. Prawie zawsze bezpiecznie jest pobierać 500 mA z portu USB, nie pytając portu hosta o maksymalną moc.

Nowsze specyfikacje USB pozwalają na porty o większej mocy. Znowu jednak należy poprosić o zgodność ze specyfikacją.

Ładowarki USB zazwyczaj nie są inteligentne i nie implementują pełnego portu hosta USB. Używają pewnych skrótów - zwykle używają rezystorów na liniach D + i D-, aby zasygnalizować urządzeniu USB, że ładowarka jest w stanie zwiększyć moc bez oficjalnego żądania.

Ponadto niektóre urządzenia, takie jak linia Apple iOS, będą również monitorować dostarczane napięcie i zmniejszać zużycie prądu na podstawie spadku napięcia. Na przykład, jeśli ładowarka zgłasza, że ​​może dostarczyć 2A, ale napięcie nie utrzymuje się na poziomie 5V, urządzenie iOS zużywa mniej niż maksymalny prąd. Nie będzie ładować poniżej 4,5 V, ani powyżej 5,5 V. Ładowarka musi więc nie tylko prezentować prawidłowe sygnały, aby wskazać, że pełny prąd jest dostępny, ale musi także zachować dobrą regulację przy maksymalnym poborze prądu.

Pamiętaj, że jest to funkcja bezpieczeństwa. Urządzenie ładujące nie tylko musi być w stanie dostarczyć prąd, ale także używany kabel USB musi być w stanie go przenosić. Może to nie wydawać się dużym prądem, ale na rynku jest wiele bardzo tanich cienkich kabli USB, które zauważalnie się nagrzeją, gdy 2A płynie przez ich niewymiarowe przewodniki. Połóż to pod łatwopalną poduszką i pozwól, by ciepło się rozgrzało, a możesz znaleźć coś więcej niż stopioną izolację.

Apple nie tylko weryfikuje ładowarkę, ale także kabel (używając własnych układów scalonych wewnątrz złącza kabla), aby uniknąć odpowiedzialności za ewentualne straty związane z niebezpiecznymi ładowarkami i okablowaniem.

Jednak dopóki używasz kabla dostarczonego z urządzeniem, nie powinieneś mieć problemu z tym aspektem i możesz skupić się na sygnalizacji ładowarki.

Co muszę zrobić w konfiguracji testowej, aby przekonać urządzenia do zużycia maksymalnego prądu ładowania?

Standard Apple został luźno przyjęty przez innych lub jest akceptowany przez innych i polega na umieszczaniu określonych poziomów napięcia na liniach D- i D + przy niskim prądzie. Umieszczenie około 2,0 V na linii D i 2,75 V na linii D + zasygnalizuje, że 2 A (10 W) jest dostępne do ładowania. Można to zrobić za pomocą prostych rezystorów:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Jeśli podążasz za tym obwodem w swojej konfiguracji, powinieneś stwierdzić, że przynajmniej urządzenia Apple ładują się przy 2 lub więcej wzmacniaczach, a inne urządzenia mogą również ładować w tej stawce.

Możesz spróbować użyć dedykowanego kontrolera portu ładowania .

Zgodnie ze specyfikacją może wykryć następujące schematy ładowania:

1. Dzielnik 1 DCP, wymagany do przyłożenia 2 V i 2,7 V odpowiednio do linii D + i D– (TPS2513, TPS2514)
2. Dzielnik 2 DCP, wymagany do przyłożenia 2,7 V i 2 V odpowiednio do linii D + i D– (TPS2513, TPS2514)
3. Dzielnik 3 DCP, wymagany do przyłożenia 2,7 V i 2,7 V odpowiednio do linii D + i D- (TPS2513A, TPS2514A)
4. BC1.2 DCP, wymagane do zwarcia linii D + do linii D–
5. Chiński tryb telekomunikacyjny YD / T 1591-2009 Tryb zwarty, wymagany do zwarcia linii D + do linii D–
6. 1,2 V na obu liniach D + i D–

20 amperów jest w stanie dostarczyć zasilacz, a cokolwiek do niego podłączysz, bierze to, czego potrzebuje od tych 20 amperów.

Na przykład, jeśli masz skonfigurowane zasilanie dla wyjścia 5 woltów i umieścisz rezystor 5 omów na jego wyjściu, dostarczy on 1 amper do rezystora, ponieważ to wszystko, czego rezystor chce, mając 5 woltów w poprzek.

Można również umieścić równolegle dwadzieścia oporników 5 omów na zasilaniu, a dostarczy on 1 amper do każdego z nich, co daje łącznie 20 amperów.

Urządzenie USB pobiera tylko tyle prądu, o jakim wie, że na pewno może pobierać, nie powodując uszkodzenia ładowarki. Urządzenia Apple i Samsung nie mają pojęcia, ile można bezpiecznie pobierać z ładowarki, dlatego opierają się na standardzie USB. Standard USB mówi „0,5 ampera jest bezpieczny”. (Jeśli ładowarka identyfikuje się jako ładowarka USB, ale nie może obsłużyć 0,5 ampera, to nie jest wina telefonu, ale problem ładowarki).

Jedynym sposobem, aby przekonać urządzenie do pobierania większego prądu, jest wdrożenie komunikacji w ładowarce, która miałaby miejsce między urządzeniem Apple a ładowarką Apple lub urządzeniem Samsung i ładowarką Samsung. To nie jest bardzo trudne i możesz kupić ładne jakości ładowarki w rozsądnych cenach, które to robią. Twoja ładowarka tego nie robi, więc 0,5 A to limit.

Wszystkie urządzenia USB muszą się zachowywać po podłączeniu do portu danych USB, który domyślnie dostarczy 100mA, 500mA, gdy „ładnie zapytany”. Właśnie to dostajesz.

Jeśli połączysz sygnały Data + i Data- razem przez mały rezystor (w celu ochrony .. około 100 omów), będziesz zgodny ze specyfikacją ładowania baterii USB, która pozwala urządzeniu pobierać co najmniej 1,5A.