Zrozumienie aktualnych wymagań USB Inrush

W związku z poprzednim pytaniem staram się zrozumieć wymagania USB 2.0 dotyczące prądu rozruchowego. Rozumiem podstawowy pomysł, ale kilka szczegółów wciąż jest dla mnie niejasnych. W części specyfikacji podano , że:

Maksymalne obciążenie (CRPB), które można umieścić na dolnym końcu kabla, wynosi 10 μF
równolegle przy 44 Ω. Pojemność 10 μF reprezentuje dowolny kondensator obejściowy podłączony bezpośrednio przez linie VBUS w funkcji oraz wszelkie efekty pojemnościowe widoczne przez regulator w urządzeniu. Rezystancja 44 Ω reprezentuje jedno obciążenie jednostkowe prądu pobieranego przez urządzenie podczas połączenia.

Jeśli w urządzeniu wymagana jest większa pojemność obejściowa, wówczas urządzenie musi zawierać pewną formę ograniczenia prądu udarowego VBUS, tak aby pasował do charakterystyki powyższego obciążenia.

USB-IF zawiera także opis testu prądu rozruchowego:

Prąd rozruchowy jest mierzony przez co najmniej 100 milisekund po podłączeniu. Podłączenie jest definiowane w chwili, gdy VBus i styki uziemiające wtyczki łączą się z gniazdem.
Każdy prąd przekraczający 100 mA w przedziale 100 ms jest uważany za część zdarzenia prądu rozruchowego. Prąd rozruchowy jest podzielony na regiony. Region to przedział, w którym prąd przekracza 100 mA, dopóki prąd nie spadnie poniżej 100 mA przez co najmniej 100 µs. W okresie 100 ms może istnieć wiele regionów rozruchowych. Pozytywne / negatywne zależy od regionu o najwyższym ładunku.

Jest to jednoznaczne, o ile to możliwe, ale zapewnia jedynie minimalny czas pomiaru i nie określa, jaki algorytm stosuje się do regionów początkowych w celu podjęcia decyzji pozytywnej / negatywnej. Myślę, że pomysł polega na tym, że w regionach, w których prąd przekracza 100 mA, prąd jest zintegrowany, aby uzyskać całkowity ładunek przeniesiony podczas tego okna, a całkowity ładunek nie może być większy niż to, co można uzyskać za pomocą 10 uF // 44 Obciążenie Ω. Według jednego źródła byłoby to 5 V * 10 µF = 50 µC. Właśnie wtedy moje zrozumienie trochę się trzęsie.

Aby pomóc mi zrozumieć, przeanalizowałem następujący obwód :

[Opór R1 nie jest częścią żadnej specyfikacji, ale potrzebuję go do wykonania matematyki i mogę pozwolić mu wyzerować w razie potrzeby.] Prąd zaczyna się od i zanika wykładniczo do ze stałą czasową .$V_1/R_1$$V_1/(R_1 + R_2)$$(1/R_1 + 1/R_2)^{-1} C_1$

Całkowita opłata przeniesiona w czasie będzie wynosić$t$

W granicach, gdy spada do zera, upraszcza to$R_1$

Jednej części, której nie rozumiem, to to, że przy 5 woltach z magistrali USB i zalecanym obciążeniu 44 Ω, zawsze będzie prąd 5 V / 44 Ω = 114 mA, który jest większy niż limit 100 mA opisany w cytowanym USB -IF test, a także więcej niż maksymalne obciążenie jednej jednostki (tj. 100 mA) dozwolone dla funkcji USB małej mocy (specyfikacja USB 2.0, sekcja 7.2.1). W przypadku ograniczającym R1 = 0 prąd ten pobierze tyle samo ładunku, co kondensator (tj. 50 µC) w R2 * C1 = 440 µs.

Pytanie, jeśli nadal czytasz, brzmi: co dokładnie znaczy „[dopasować] charakterystykę powyższego obciążenia” (tj. 44 Ω równolegle do 10 µF) i jak opisany rozruch przez USB-IF bieżący test decyduje, ile prądu jest za dużo?

Dzięki.

Odpowiedź brzmi: nikt nie wie.

Cóż, ktoś wie, ale test rozruchu / nieudanego rozruchu jest uważany za informację zastrzeżoną, a sposób, w jaki dokonuje się tego ustalenia, nie jest publikowany przez USB-IF, z przyczyn, które należy znać. Wiem, że to niezbyt satysfakcjonująca odpowiedź, ale taka jest prosta prawda.

Cytując stronę testów zgodności elektrycznej (tekst jest czerwony, więc wiesz, że są one nawet poważniejsze niż normalny poziom powagi USB-IF):

UWAGA: Niektóre z następujących zatwierdzonych rozwiązań testowych używają oprogramowania zastrzeżonego do oceny jakości sygnału i rozruchu bieżących zdarzeń. Jedynym oficjalnym narzędziem do analizy jakości sygnału i prądu rozruchowego jest USBET20 opublikowany przez USB-IF. Należy uruchomić przechwyconą jakość sygnału i wprowadzić aktualne dane testowe przez USBET w celu oficjalnej oceny pomiaru.

Mówią więc wprost, że nie można dokonać oznaczenia za pomocą samego zapisu fali lub kilku oscyloskopów Funkcja „USB inrush test” (nigdy tego nie widziałam, więc nie mogę używać wystarczająco drogich oscyloskopów) jest nieważna i jedynym sposobem na spełnienie bieżącej zgodności rozruchu ma miejsce, jeśli USBSET20 stwierdzi, że urządzenie spełnia zgodność. Przyjmuje przechwytywanie przebiegów w formacie .tsv / .csv i eliminuje zgodność ze standardem USB (w formacie HTML).

Ze strony pobierania narzędzi USB:

USBET20 (8 MB, sierpień 2016 r.) To samodzielne narzędzie do analizy sygnałów elektrycznych do testowania zgodności z USB. USBET20 jest oficjalnym narzędziem do analizy zgodności elektrycznej, które dokonuje oceny pozytywnej / negatywnej jakości sygnału i prądu rozruchowego zarejestrowanego z oscyloskopu.

W celu dalszego rozwinięcia podają tylko minimalny czas pomiaru, ponieważ to wszystko, co musisz wiedzieć. Nie musisz wiedzieć, w jaki sposób dokonuje się faktycznego określenia pozytywnego / negatywnego wyniku, a tak naprawdę nie mówią. USB-IF jest gotów powiedzieć, jeśli jesteś zgodny, ale nie mówi nikomu, jak to faktycznie ustalili (przynajmniej w przypadku prądu rozruchowego).

To maksymalne obciążenie pobierane jest specyfikacją dotyczącą urządzenia wysyłającego (port hosta lub koncentratora), co oznacza, że ​​przy projektowaniu jednego z nich, a NIE urządzenia peryferyjnego, to hub lub port powinien być w stanie wytrzymać maksymalne obciążenie pobierane przez rezystor 44 Ω i Kondensator 10µF równolegle. I masz całkowitą rację - może to pobrać nawet 25 mA powyżej limitu 100 mA w najbardziej ekstremalnych warunkach. Jako takie, urządzenie wyjściowe musi być w stanie wytrzymać takie obciążenie („uchwyt”, co oznacza, że ​​nie może być większe niż opadanie o wartości 330 mV).

Jednakże, jeśli twoje urządzenie peryferyjne byłoby takim obciążeniem, nie przejdzie zgodności, ponieważ pobierze ponad 100 mA przy pewnym (zasadniczo wszystkim) możliwym zakresie napięcia. Obciążenie to jest pomyślane jako najgorszy scenariusz projektowania urządzeń upstream i służy do ich testowania. Nie dotyczy testu zgodności prądu peryferyjnego.

Ważne jest to, że tak naprawdę nie chodzi o prąd. Chodzi o ładowanie, więc już jesteś na dobrej drodze. W szczególności chodzi o spadek napięcia. Port wyjściowy na koncentratorze musi mieć nie mniej niż 120µF bardzo niskiej pojemności ESR na wyjściowym VBUS, magistrala zasilająca peryferyjne urządzenia peryferyjne.

Host lub zasilany koncentrator wytwarzający napięcie wyjściowe w najgorszym przypadku (4,75 V), przechodząc przez crappiest złącza, crappiest kabel, do niezasilanego hubu, który również używa crappiest złącza, a następnie ten hub ma jeszcze crappiest napięcie wejściowe VBUS do wyjścia VBUS / spadek napięcia na wylocie (350 mV), napięcie wyniesie 4,4 V. To 4,4 V, podłączone przez gburowate złącza do gównianego urządzenia peryferyjnego, może spowodować, że zobaczy rzeczywiste absolutne minimalne napięcie dla urządzenia małej mocy: 4,35 V. Od strony 175 specyfikacji USB 2.0:

Zróbmy trochę matematyki. niezasilany hub powyżej musi mieć 120µF pojemności downstream. Przy 4,4 V * 120µF, to 528µC ładunku. Podłączone urządzenie ma kondensator 10µF. Jeśli udajesz, że nie ma obciążenia statycznego ani mocy, tylko naładowany kondensator na porcie i nienaładowany 10µF jeden w urządzeniu peryferyjnym, ładunek będzie dystrybuowany nie do momentu, gdy drugi będzie pełny, ale dopóki napięcie między nimi nie będzie równe. Ładunek jest zachowany, więc punkt, w którym dwa napięcia kondensatorów będą sobie równe, biorąc pod uwagę 528µC ładunku początkowego, wynosi około 4,06 V. Lub przeniesiono 40,6µC. Po dodaniu rezystancji złącza, kondensator znajdujący się za nim nie będzie w stanie nawet pobierać tak dużego ładunku podczas rozruchu.

Tak więc dosłownie jedynym ważnym czynnikiem jest to, że nie przekracza 10µF. Prąd nie jest tak naprawdę istotny, liczy się to, w jaki sposób wyczerpana pojemność portu wylotowego koncentratora może zostać wyczerpana bez zwalniania więcej niż 330 mV podczas stanu przejściowego, zanim rzeczy takie jak indukcyjność kabla dadzą czas na faktyczną moc hosta do nadrobienia. A kondensator 10µF jest najbliższą dostępną wartością, która tego nie zrobi.

Należy również pamiętać, że nie ma limitu pojemności. Możesz mieć 1F całej pojemności ceramicznej na dalszym urządzeniu, o ile masz go podzielony na sekcje 10µF, a tylko jedna z nich połączy się po zamocowaniu. Po podłączeniu urządzenia musisz pozostać poniżej dowolnego kroku 10µF , ale możesz stopniowo „online” zwiększać pojemność w krokach co 10µF. Chodzi o to, aby uniknąć tego przejściowego.

I tak, oznacza to, że urządzenie peryferyjne o niskiej mocy powinno nie tylko pracować do 4,35 V, ale także wytrzymać stan przejściowy opadania napięcia 330 mV, na przykład wtedy, gdy do koncentratora podłącza się coś nowego. Oznacza to również, że teoretycznie, jeśli podłączyłeś tylko dwa urządzenia w odpowiednim momencie, tak aby niemal jednocześnie, możesz zakłócić działanie innych urządzeń w niezasilanym koncentratorze. Jestem pewien, że roboty wraz ze swoimi HPET wykorzystają tę krytyczną wadę w naszej specyfikacji magistrali USB, aby doprowadzić do naszego upadku.

Teraz są prawdopodobnie inne subtelne aspekty, takie jak stawki dI / dT lub cokolwiek innego. Kto dokładnie wie, co jest uwzględnione w teście pozytywnym? Biorąc pod uwagę, że mają cały instalator 7,5 MB dla programu, który wykonuje ten test, prawdopodobnie bezpiecznie jest założyć, że nie jest to coś prostego. Pamiętaj jednak, że starasz się unikać nadmiernego wyczerpywania się rezerwuarów kondensatorów z wykorzystaniem własnej pojemności kondensatora, i to naprawdę wszystko. Dopóki nie spowodujesz awarii innych urządzeń z powodu przejściowego napięcia, które potencjalnie może spowodować Twoje urządzenie peryferyjne, nic ci nie będzie. I tak naprawdę sprowadza się to do utrzymania pojemności widocznej przy podłączeniu lub innych zmianach stanu zasilania do 10µF. Lepiej byłoby spróbować mieć mniej niż to, 10µF to maksimum. Ja nie Nie wiem, skąd wziął się pomysł, że absolutnym maksimum powinna być „standardowa” pojemność, ale dobrzy inżynierowie wiedzą lepiej, niż sięgać po maksymalne wartości znamionowe. Zawsze niedoceniane. Lubię fajny kondensator 4,7µF. Jeśli potrzebujesz więcej odsprzęgania, wszystko, co musisz zrobić, to nie podłączyć go bezpośrednio do VBUS i ograniczyć go do 100mA, a jesteś złoty. Ale możesz przekraczać 100 mA - o ile tylko ładunek o wartości 40,6µC jest przesyłany w danym regionie.

Nie martw się prądem rozruchowym. Test prądu rozruchowego tak naprawdę nie dotyczy prądu rozruchowego.

Testowanie rozruchu jest określone w Aktualizacjach zgodności USB-IF, http://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45 .

Prąd rozruchowy jest mierzony przez co najmniej 100 milisekund po podłączeniu. Podłączenie jest definiowane w chwili, gdy VBus i styki uziemiające wtyczki łączą się z gniazdem. Każdy prąd przekraczający 100 mA w przedziale 100 ms jest uważany za część zdarzenia prądu rozruchowego. Prąd rozruchowy jest podzielony na regiony. Region to przedział, w którym prąd przekracza 100 mA, dopóki prąd nie spadnie poniżej 100 mA przez co najmniej 100 µs. W okresie 100 ms może istnieć wiele regionów rozruchowych. Pozytywne / negatywne zależy od regionu o najwyższym ładunku.

Pass / fail wynosi 50 uC lub 5V x 10uF (@metacolin wziął pod uwagę opadanie, ale USB nie).

Możesz przybliżać rozruch, patrząc na wychwytywanie zakresu prądu i obliczanie obszaru (i * dt) powyżej 100 mA dla każdego regionu i sprawdzanie regionu najgorszego przypadku w ciągu 100 ms po dołączeniu.

USBET wykonuje obliczenia na podstawie danych .csv.

Sam faktyczny prąd szczytowy nie ma znaczenia.

Jest to specyfikacja koncentratora USB lub adaptera hosta. Model czarnej skrzynki reprezentuje typowe obciążenie do testów udarowych, jednak specyfikacja wymaga tylko minimalnego ograniczenia 1uF na urządzeniu peryferyjnym, 10uF jest uważane za obciążenie wartości standardowej. Ponieważ kondensatory są dostępne we wszystkich rodzajach z ESR tak niskim jak 10 mΩ, udar będzie ograniczony przez ESR nasadki i rezystancję kabla 1 lub 1,5 m. Jeśli kabel i złącza zostaną zaniedbane lub 0 Ω, teoretycznie może to być udar 500 A = 5 V / 0,01 Ω ESR.

W praktyce będzie o wiele mniej, ale chodzi o to, że host musi być w stanie zapobiegać niedostatecznemu napięciu niezależnie od ESR pułapki.

To, jak to zrobi, zależy od projektanta.

Więc twoje pytanie ...

w jaki sposób opisany test prądu rozruchowego USB-IF decyduje o tym, ile prądu jest za dużo?

Odpowiedź: Przez napięcie hosta pozostające w zakresie specyfikacji napięcia, tak aby inne porty nie widziały stanu niezgodnego ze specyfikacją z powodu gwałtownego wzrostu prądu rozruchowego. Taki jest cel tego testu.

Ponadto, jeśli test nie wykaże żadnego wzrostu> 100mA w teście czarnej skrzynki, może nie wykryć urządzenia wstawionego na gorąco przy obciążeniu co najmniej 1uF. Zatem oczekiwany jest minimalny wzrost i brak maksymalnego piku, ale maksymalny czas trwania.