10. decembra, 2020

Najboljši načini za USB4 napajanje

microchip 300x74 - Najboljši načini za USB4 napajanjeUSB priključki so danes vsepovsod in vsi lastniki pametnih telefonov so se že v nekem trenutku zagledali v USB vrata in se spraševali, ali jim bodo sploh zmogla napolniti njihovo napravo.

 

Napajanje pa postaja vse bolj enostavno s konvergenco industrije glede standardov USB Power Delivery (PD) in z dobrim načinom uporabe lahko USB4 tudi nadaljuje ta trend. Zagotavljanje najboljše možne izkušnje s polnjenjem v vse več novih primerih uporabe pa bo odvisno od večjega števila pravih odločitev pri načrtovanju aplikacij.

8 1 300x155 - Najboljši načini za USB4 napajanje

Slika 1: Priključki USB kabla

Glavni namen razvoja USB4 je podvojiti hitrost prenosa podatkov v primerjavi z USB 3.2 (40 Gbps v primerjavi s prejšnjimi 20 Gbps) in omogočiti podporo za Intelov protokol Thunderbolt. USB4 bo uporabljal izključno vrata USB tipa C, ovalna vrata z rezilom navzdol po sredini, znana po tem, da sprejmejo vtiče, tudi če jih v vtičnico vtaknemo obrnjeno. Medtem, ko je vstavljanje kabla ob priključitvi zdaj za uporabnika veliko bolj preprosto, pa mora polnilna tehnologija za vrata USB4 zdaj vključevati tudi USB PD, kar seveda povzroča zapletenost. Specifikacije USB prejšnjih generacij, ki so uporabljale vrata tipa C, so imele možnost, da PD omogočijo, USB4 pa to preprosto zahteva.

 

Energijske potrebe  USB4

Specifikacija PD je bila popravljena tako, da je vključevala tudi nova sporočila za odkrivanje in prehod v način USB4, vendar so sheme napajanja ostale enake. Uporabljajo enožično vodilo 300 kHz na eni od linij konfiguracijskega kanala (CC) vmesnika USB tipa C za komunikacijo med gostiteljem in priključeno napravo, ko jo odkrijejo na vodilu in prek nje se dogovorijo o priključni moči in podatkih, ki jih bodo prenašali (slika 1). Druga CC linija prevzame vlogo “VCONN”, namenskega vira energije za elektronski marker (identifikacijsko vezje znotraj kabla USB). Napajanje,  ki teče med vrati USB, se prenaša prek ločenega niza žic znotraj priključka (z oznako “VBUS;” glej sliko 2). Ko se dve PD napravi povežeta, uporabljata žico CC, da se medsebojno zaznata, sporočita zmožnosti napajanja (katere napetosti in koliko moči pri posamezni napetosti), se sporazumeta, katera naprava mora napajati ali črpati energijo, se dogovorita, koliko energije naj bo na razpolago in nato zagotovita to moč na VBUS-u. Ta 300kHz digitalni signal se uporablja tudi za ugotavljanje, ali USB povezava podpira povezavo USB4, zato brez te komunikacije USB4 ni mogoče implementirati. Vrata USB4 niso potrebna za napajanje ali sprejemanje moči, ki presega napetost 5V in tok 900mA, vendar morajo tudi podpirati PD komunikacijo, da lahko delujejo kot USB4.

 

Zgodovina napajanja na univerzalnem serijskem vodilu

Če si želite ogledati uporabniške izkušnje polnjenja v napravi USB4, je koristno razumeti zgodovino napajanja prek

USB priključka (glejte sliko 2). Univerzalno serijsko vodilo (USB) je bilo prvotno namenjeno serijski podatkovni komunikaciji z največ 100 mA toka v kablu. Specifikacija USB 2.0 je v liniji VBUS tok omejila na 500 mA, kar je popolnoma zadostovalo za napajanje priključene osnovne računalniške periferne opreme. Standardi USB 3.0 so to tokovno omejitev povečali na 900 mA, vendar za prenosne naprave, ki na enem samem USB priključku združujejo podatke in napajanje, to ni bilo dovolj.

Odbor za USB je objavili specifikacije za polnjenje baterij oziroma akumulatorjev (BC), ki so se leta 2010 končale s končno specifikacijo BC1.2; ta omogoča tok 1,5 A (7,5 W). Takrat so se številni proizvajalci pametnih telefonov preprosto odrekli skladnosti s specifikacijami USB.

To je privedlo do lastnih protokolov polnjenja pri proizvajalcih, ki so poleg tega tudi za vse brezplačni. Z uporabo napetostnih nivojev, nastavljenih na D + in D-linijah (podatkovne linije USB): 2V na eni liniji in 2,7V na drugi, lahko da 10W moči; 2,7 V na obeh podatkovnih linijah lahko signalizira polnjenje 12 W; 3,3 V na vsaki liniji bi sprožilo delovanje polnilnika, ki zagotavlja 20 V (kar bi lahko škodljivo, če bi ga pomotoma uporabili). Te metode niso bile interoperabilne in rezultati so bili nepredvidljivi. Poleg tega podatkovne linije, ki se uporabljajo za določanje ravni polnjenja, niso bile več na voljo za izmenjavo podatkov. Vrata lahko prenašajo datoteke ali omogočajo hitrejše polnjenje, ne morejo pa obojega hkrati. Vsem, ki ste kdaj doživeli, da vam je telefon ugasnil prav med polnjenjem, je vzrok tega nerazumljivega pojava zdaj najbrž nekoliko bolj jasen – ravno ta vrata so bila morda podatkovna povezava, ki je zagotavljala le 500 mA v skladu s specifikacijami USB 2.0.

8 2 300x194 - Najboljši načini za USB4 napajanje

Slika 2: Kronološki potek politike USB napajanja skozi čas. Lastniški standardi so se sicer razlikovali glede na posamezne proizvajalce, medtem ko nove USB specifikacije na splošno ohranjajo povratno združljivost s predhodnimi specifikacijami.

Te težave so spodbudile prizadevanja za prvo PD specifikacijo (revizija 1) in ustvarila univerzalni standard za polnjenje pri spremenljivi napetosti (več kot 5V) z uporabo tradicionalnih USB kablov s štirimi priključki. Ohranjanje združljivosti za nazaj je zahtevalo dodajanje signala za medsebojno sporazumevanje v samo VBUS linijo, kar je bilo zapleteno za izvedbo, zato med proizvajalci ni bilo dobro sprejeto in vse skupaj je bilo ukinjeno. USB-IF ( USB Implementers Forum) si prizadeva,  da bi vsi čim prej pozabili, da je bila ta specifikacija sploh kdaj napisana, praktično gledano pa bi jo res morali pozabiti vsi. Ta pristop (revizija 1) torej ni več niti veljaven niti podprt.

Danes obstajata in sta veljavni PD različici 2.0 in 3.0, ki imata vključeni specifikacije za programirljivo napajanje (PPS, programmable power supply). Te so bile ustvarjene skupaj z USB vrati tipa C, z dodatnimi signalnimi povezavami. Razlike med različicama 2 in 3 so večinoma v podrobnostih CC komunikacije. Obe sta združljivi s prejšnjimi izvedbami USB (razen revizije PD 1) in uporabniške izkušnje so popolnoma enake. Naprave se dogovarjajo za profile polnjenja z najmanjšo ločljivostjo 20 mV (pri izvedbah PPS). Naprave, ki podpirajo PD, lahko podpirajo (vendar se tega od njih ne zahteva) do 100 W prenosa moči v okviru specifikacije (5A pri 20V). Lastniške sheme za oglaševanje nadomestnih polnilnih profilov z uporabo podatkovnih linij so izrecno prepovedane, vendar USB-tip C omogoča tudi poenostavljeno polnjenje 1,5A in 3A pri 5V (tu namesto digitalnega signala zahtevano shemo prepoznamo prek uporov na CC priključku). Vrata tipa C ne zahtevajo PD, na drugi strani pa PD zahteva vrata tipa C, to pa je tudi točka, kjer USB4 spremeni stvari (glej sliko 3); USB4 uporablja prav PD komunikacijo, da omogoči svoj USB4 način.

Medtem, ko bodo nove naprave seveda sledile smernicam novih specifikacij, pa zapletenost USB polnjenja izvira iz vseh teh starih standardov, ki še vedno obstajajo na starejših vratih, saj so nova USB4 vrata lahko priključena na katera koli od teh starih vrat (glej tabelo 1). ).

 

8 3 300x167 - Najboljši načini za USB4 napajanje

Slika 3: Povezava med USB podatki in USB napajanjem – USB 2.0 lahko obstaja na katerem koli USB kablu, z napajanjem ali brez napajanje tudi na kablu tipa C. USB3.x zahteva kabel z dodatnimi hitrimi podatkovnimi linijami, z ali brez napajanja na kablu tipa C. USB4 lahko obstaja samo na povezavi tipa C s komunikacijo Power Delivery. Napajanje lahko obstaja samo na povezavi tipa C, vendar za to ne zahteva podatkov.

Primeri uporabe in uporabniške izkušnje

Poskus ohranjanja petih generacij združljivosti za nazaj ustvarja zapleteno paleto možnih povezav za oskrbo z električno energijo, pušča pa veliko vprašanje, kaj se zgodi z uporabo vseh starejših USB vrat in kablov, uporabniki pa se morda vsakič znova sprašujejo, “ali se bo napolnil?” Vendar pa, če ignoriramo lastniške specifikacije, na srečo večina te zgodovine pade v le nekaj možnih uporabniških izkušenj. Čeprav se bodo telefoni sicer po vseh scenarijih polnili, se najbrž ne bodo napolnili po vseh enako hitro.

V okviru USB4 obstajajo štirje mogoči primeri uporabe:

  1. Starejša vrata za polnjenje se z napravo USB4 tipa C povežejo z adapterskim kablom
  2. Polnilnik USB4 tipa C se s starejšimi vrati poveže z adapterskim kablom
  3. Vrata USB4 tipa C se z vrati tipa C, ki niso USB4, povežejo s kablom C-na-C in postavijo uporovni delilnik na CC linijo
  4. Dvoje vrat tipa C se povežeta s kablom C-to-C in komunicirata po CC liniji; USB4 sta lahko le ena ali obe napravi
8 4 300x179 - Najboljši načini za USB4 napajanje

Tabela 1: USB povezave za napajalne

Kar zadeva standarde USB, ima 8-pinski Apple Lightning priključek enake signale kot stari USB 3.x kabel. Vrata USB4, ki se s kabli tipa C povezujejo na adapter Lightning, se glede funkcionalnosti napajanja in polnjenja obnašajo podobno kot kabli tipa C do mikro-B ali tipa C do tipa A. Sledi povzetek, kaj lahko pričakujete od vsakega primera uporabe polnjenja:

 

Starejša vrata za polnjenje, priključena na napravo USB4 s pomočjo adapterja

Starejša vrata, kot so na primer vrata tipa A in tipa B, so bila morda izdelana pred specifikacijami tipa C (glej sliko 1). Za ta vrata ni bilo in tudi ne bo zahtevano izvajanje kakršne koli posebne hitrejše sheme polnjenja. Vrata USB 2.0 lahko privzeto polnijo 500 mA, vrata USB 3.x pa so privzeto nastavljena na 900 mA. Dobra novica je, da večina novejših vrat USB podpira BC1.2 in bo zagotavljala 7,5 W. Ne glede na to, kakšen adapterski kabel se uporablja, pa USB4 naprava ali naprava tipa C, priključena na stara vrata za polnjenje, ne more zahtevati več kot 7,5 W moči, ne da bi s tem kršila USB specifikacije.

Vrata USB4 za polnjenje, priključena na starejšo napravo s pomočjo adapterskega kabla

V primerih, ko so polnilna vrata USB4 priključena na starejšo napravo, se lahko zgodi nekaj možnih izidov. Vrata USB4 lahko po standardih BC1.2 za svojo tokovno zmogljivost oglašujejo 1,5A, kabel pa 7,5W. Če USB4 ni nastavljen tako, da podpira dodatne zmogljivost po standardu BC1.2, bodo vrata USB4 privzeto morala imeti vrednost omejeno na 500 mA za podatkovno povezavo USB 2.0 ali na 900 mA za podatkovno povezavo USB 3.x. To bo pri uporabnikih gotovo povzročilo nekaj slabe volje, saj bodo tudi najmodernejša USB vrata lahko povzročila počasnejše polnjenje, če jih boste uporabljali z adapterskimi kabli.

USB4 na ne-USB4 tipa C, z uporovnimi delilniki

Če ponudnik energije ali odjemalec za oglaševanje zmogljivosti uporablja metodo uporovnega delilnika tipa C, bo to narekovalo prenos moči. Naprava USB4 zato prek CC-linije ne bo mogla komunicirati, vendar bo kljub temu prepoznala priključitev naprave, razmerje med ponudnikom in potrošnikom in tokovno omejitev (1,5A ali 3A) z uporabo tokovnih virov ali uporov, priključenih na CC-linijo. Napetost na vodilu bo ostala na 5V, priključena naprava pa bo lahko črpala moč do 7,5W ali do 15W. Ker naprava ve, da ni v načinu PD, lahko zaradi jasne uporabniške izkušnje prikazuje obvestilo, da se sicer polni, vendar to ni hitro polnjenje.

Priključitev tipa C na tip C s PD komunikacijo

To je potencialno najbolj zmogljiva USB4 povezava v smislu prenosa energije, vendar se bodo natančni rezultati lahko razlikovali. Povezani napravi se bosta glede na svoje zmožnosti in potrebe dogovorili za oskrbo z napajanjem do 20V in 5A. Del pogajanj je tudi delitev vloge ponudnika ali porabnika energije. Možno je namreč med sabo povezati dva porabnika energije, ki bi se pogajanji dogovorila, da energije ne bosta prenašala (in to je čisto veljaven primer za prenos podatkov med prenosnimi napravami).

Vrata ponudnika napajanja so lahko označena s simbolom baterije, zato bodo uporabniki največkrat lahko vedeli, katera vrata na postaji ali prenosnem računalniku so nastavljena za napajanje. V tem primeru morajo vrata, ki zagotavljajo napajanje, imeti sposobnost napajati z najmanj 1,5 A pri 5 V (7,5 W, enako kot BC1,2), da lahko uporabljajo logotip za polnjenje, ki ga sicer odobri USB-IF. Višja raven moči ni zagotovljena niti pri vratih tipa C, označenih z ikono za polnjenje. Ker je po pogodbi o napajanju med napravama lahko dogovorjena poljubna stopnja moči od 7,5 W do 100 W, bo uporabnik vedel, kaj se dogaja, le v primeru, če bo ena od naprav sporočila podatke o tem, kako sta se napravi glede tega dogovorili v pogajanjih (in prikazala raven dogovorjene moči ali povezavo za hitro polnjenje). Ta primer uporabe lahko zagotovo ustvari nepredvidljive uporabniške izkušnje in presenečenja, toda ob dobrem poročanju in dobrih uporabniških vmesnikih bi to lahko bila tudi odlična uporabniška izkušnja.

Zaključek

Dodajanje USB4 bo USB aplikacijam, ki jih lahko uporabljajo, dodal veliko pasovne širine in zmogljivosti, vendar bosta USB 2.0 in USB3.x še naprej živela v aplikacijah, ki lahko preživijo tudi z manj prenosa podatkov. Primeri aplikacij s porabo energije na USB vodilu se bodo v prihodnosti še množili, vendar se s pametnim načrtovanjem aplikacij lahko izognemo slabim uporabniškim izkušnjam.

Avtor: Fionn Sheerin, glavni inženir trženja izdelkov, iz oddelka za analogno napajanje in vmesnike v podjetju Microchip Technology

2020_291_31