Содержание
USB порт – это универсальная последовательная шина. Как можно догадаться, данные через порт USB передаются последовательно.
Во второй версии USB данные передаются по двум проводам – витой паре. Данные в этих проводах всегда противоположной полярности. Т.е. если на первом проводе 0, то на втором 1. Этот способ передачи данных позволяет достигнуть достаточно высокой надежности при высокой скорости.
В определенный момент времени передавать может только одно устройство – это свойство любой шины. Еще два провода шины используются для питания 5 вольт. Итого, порт USB 2.0 имеет 4 контакта: два сигнальных и два – питание.
Для стандарта USB 2.0 максимальная скорость передачи данных составляет 480 МБит/с. Это составляет примерно 48 мегабайт в секунду.
На крайних контактах USB-порта компьютера есть напряжение 5 вольт, поторое служит для питания внешних устройств. Сила тока USB-порта ограничена 500 мА для USB 2.0 и 900 мА для USB 3.0. Обычно такого мощности USB порта достаточно, чтобы запитать большинство мобильных устройств. Когда мощности недостаточно – используется двойное подключение: для дополнительного питания устройство подключается к подолнительному USB-разъему.
USB это последовательный интерфейс передачи данных для периферийных устройств в вычислительной технике
Стандарт USB 1.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года. Версия v1.1 практически почти не используется по причине слишком низкой скорости передачи данных (12 Мбит/сек), поэтому применяется только для совместимости.
Стандарт USB 2.0, получивший широкое распространение, был представлен в ноябре 1996 года.
Как и в случае спецификаций USB 1.0 и USB 1.1, в спецификации USB 2.0 для подключения периферийных устройств используется кабель, состоящий из двух пар проводов: одна витая пара проводов для приема и передачи данных, а другая — для питания периферийного устройства.
Напряжение питания по шине USB равно 5 В при силе тока до 500 мА. Этого, конечно, недостаточно для периферийных устройств со высоким энергопотреблением, например таких как принтеры. Поэтому они комплектуются собственными блоками питания, которые подключаются непосредственно к электрической розетке. Кабели USB ориентированы, то есть имеют физически разные наконечники «к устройству» (Тип B) и «к хосту» (Тип A). Возможна реализация USB устройства без кабеля, со встроенным в корпус наконечником «к хосту».
Компьютеры и ноутбуки, выпущенные после 2003 года, как правило, оснащены портами USB 2.0.
Устройств USB 2.0 поддерживают три режима работы:
Спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году.
В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 изготавливают из пластика синего или (у некоторых производителей) красного цвета.
Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с — что выше скорости передачи данных устройств USB 2.0. (максимально 480 Мбит/с.)
31 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с. Разъём USB 3.1 Type-C является симметричным.
Количество возможных разъемов USB 3.0 стало больше. Самый популярный разъём, которым все пользовались — USB Type-A классического размера: он расположен на флешках, USB-модемах, на концах проводов мышей и клавиатур. Чуть реже встречаются полноразмерные USB Type-B: обычно таким кабелем подключаются принтеры и сканеры. Мини-версия USB Type-B до сих пор часто используется в кардридерах, цифровых камерах, USB-хабах. Микро-версия Type-B стала самым популярным разъёмом в мире: все актуальные мобильники, смартфоны и планшеты (кроме продукции одной фруктовой компании) выпускаются именно с разъёмом USB Type-B Micro.
• базовые знания по зарядке через USB
• схемотехника зарядных устройств
• проблемы и их устранение
Статья из цикла питание и заряд . Автор — Kargal.
В последние годы заметно проявилась тенденция унификации разъёмов «данные/питание» разных гаджетов разных производителей (пожалуй, только Apple продолжает идти «своим путём»).
С целью минимизации размеров используются разъёмы mini-USB или micro-USB, имеющие по пять контактов и одинаковую цоколёвку.
Цоколёвка разъёмов и варианты подключения кабелей приведены в таблице ▼
Основному USB-стандарту соответствуют два кабеля:
#) Во всех разрешающих зарядку (не OTG) случаях шины данных (D− и D+) используются двояко — в течение
2-х секунд после появления внешнего напряжения питания на pin1 гаджет по потенциалам и свойствам линий данных определяет тип зарядного порта. «Знать» тип зарядного порта гаджету нужно для определения максимально допустимого тока для данного зарядного устройства (далее — ЗУ). После идентификации порта гаджет позволяет себе потреблять ток для работы/зарядки, а если порт оказался сигнальным (типов SDP или CDP), то ещё и обмениваться данными в роли USB-периферийного (Slave) устройства.
Пользуясь нестрогостью соблюдения стандарта многие производители гаджетов позволяют себе некоторые шалости по использованию контактов разъема без оповещения пользователей. Это обстоятельство затрудняет возможность замены штатного ЗУ на универсальное при утере/поломке штатного или при организации дополнительного поста зарядки. Например:
К сожалению, легкодоступной информации по таким ухищрениям применительно к конкретным моделям гаджетов не существует — производители то ли хитрят, оберегая свой бизнес, то ли стесняются своих извращений. Встречаются только разрозненные и не очень чёткие упоминания на форумах. Остаётся надеяться, что сообщество пользователей отмобилизуется и создаст базу данных.
ЗУ с USB-разъёмами подключения нагрузки номинируются на Uвых=5 V и обычно реально соответствуют USB-спецификации – Uвых=4,75÷5,25 V. (Хотя встречаются исключения).
Специализированные автомобильные (АЗУ) и сетевые зарядные устройства (СЗУ), даже номинирующиеся на 5 V, могут иметь несколько повышенное напряжение. Например, планшеты на Rockchip RK3066, имеющие контроллер заряда OZ8555, требуют от ЗУ Uвых=5.6÷5.7 V, что и реализуется в штатных ЗУ. Такие ЗУ обычно имеют встроенный выходной кабель со специализированным (не USB) разъёмом подключения к гаджету.
Некоторое превышение напряжения над стандартным (до 5.3÷5.4 V) полезно и для мощных гаджетов, питающихся через USB-разъем, для компенсации падения напряжения на кабеле питания. И производители гаджетов это реализуют — штатное СЗУ для планшета Freelander PX1/PX2 (со встроенным кабелем и разъёмом microUSB) расчётно выдаёт Uвых=5.3 V (при номинации 5 V).
К вопросу о максимально допустимом напряжении ЗУ. Современные гаджеты имеют в своём составе контроллер заряда, управляющий режимом потребления тока от ЗУ (при зарядке и при работе) с помощью ШИМ-преобразователя. То есть приведение напряжения ЗУ к напряжению батареи (3.3÷4.2 V) производится без излишнего выделения тепла и прочих неприятностей. Типично максимально допустимые напряжения питания таких контроллеров составляют: рабочее — 5.5 V, предельное (срабатывание защиты по перенапряжению – OVP) — 6.0÷6.5 V; то есть, любой гаджет может спокойно работать с ЗУ, имеющим напряжение холостого хода до 5.5 V (и не сгорит при 6 V). Некоторые контроллеры сохраняют работоспособность до 6.5 V.
Все зарядные устройства номинируются производителем на ток, значение которого обязательно прописывается на этикетке ЗУ (иногда номинируются по мощности, для 5 V –
5 W/A). Но эта цифра вовсе не означает, что такой ток будет получать конкретный (именно Ваш) гаджет. Это скорее утверждение, что никакой гаджет не сможет получить с данного ЗУ ток больше указанного. А для китайских ЗУ эта цифра ещё и завышена процентов на 30÷50. Номинация производится по максимальным возможностям полупроводниковых преобразователей, но недостаточный теплоотвод и низкое качество индукторов и конденсаторов зачастую не позволяют реализовать эти возможности в долговременном режиме (более трёх минут).
Выход простой — любой гаджет может использовать ЗУ с номинацией по току в 2÷5 раз большей, чем необходимый ему ток. В этой ситуации у гаджета просто руки не связаны (напряжение ЗУ не снижается и нет внешнего ограничения тока) и он будет брать ровно столько, сколько ему в данный момент необходимо (сколько позволяет встроенный контроллер заряда гаджета). Типично при наполовину разряженной батарее потребляется максимальный для данного гаджета ток, по мере приближения к полному заряду ток плавно снижается.
Различные гаджеты по-разному ведут себя в режиме совмещения зарядки с работой. Некоторые имеют одно общее значение максимального тока потребления — при только зарядке в аккумулятор поступает весь ток, а при включении экрана ток собственно заряда уменьшается на долю, потребляемую экраном. У других гаджетов токи заряда и работы контролируются раздельно — при включении экрана ток заряда не изменяется, а ток потребления увеличивается на долю, потребляемую экраном. При этом суммарное потребление не может превышать некоторого «абсолютного» максимума для данного гаджета, например, значения, жестко заложенного в гаджет или разрешённого типом опознанного используемого зарядного порта.
Маломощные, потребляющие до 0.5A, гаджеты (простые телефоны, видеорегистраторы, навигаторы) обычно неприятностей не приносят. Разве что, явная неисправность — самого гаджета или соединительного кабеля.
С мощными гаджетами ситуация посложнее (при попытках работать с нештатным ЗУ). Встречается много жалоб типа «не заряжает», «заряжает медленно». Среди всех возможных существуют варианты причин:
#) К сожалению, исторически сложилось несколько не очень совместимых систем кодировки типа порта, и какой кодировкой пользуется конкретный гаджет не указывается в его документации. Существуют только невнятные и неоднозначные намеки: «ЗУ для Samsung», «ЗУ для iPad», но какие из универсальных ЗУ подходят для них — непонятно. А о представителях мощного потока изделий китайской промышленности и говорить нечего. (Хорошо бы создать базу признаков для всех мощных гаджетов и в представлениях новых моделей на форумах предъявлять их).
Та же неразбериха и с универсальными ЗУ. Уже появились ЗУ с разными надписями («Samsung» и «Apple» например) и кодировками на разных разъемах USB-AF, но на некоторые встречаются отзывы: «Разъём с надписью Apple заряжает Samsung Galaxy Note 2 быстрее, чем второй, с надписью Samsung» . У некоторых все USB-разъёмы запараллелены, то есть, имеют независимо от надписей одинаковую кодировку.
Сетевые ЗУ (СЗУ)
Типичная схема низковольтной части качественного сетевого ЗУ ▼
Здесь HL – светодиод оптрона обратной связи, DA – параллельный стабилизатор, фактически использующийся в режиме компаратора. Полная схема стремится установить такое выходное напряжение Uout, чтобы напряжение на выходе делителя RU/RL было равным внутреннему опорному напряжению Uref стабилизатора DA. Для стабилизаторов семейства TL431 Uref=2.5 V, для семейства TLV431 – Uref=1.25 V. Величину Uref реально замерить цифровым вольтметром на включённом и нагруженном ЗУ, через резистор 50÷100 kΩ (для обеспечения устойчивости схемы во время измерения).
#) Осторожно! Первичная сторона под высоким напряжением.
Для подъёма Uout на
10% необходимо изменить параметры делителя RU/RL так, чтобы напряжение на его выходе (точка соединения RU и RL) равнялось Uref не при 5,0 V на выходе ЗУ, а при
5,5 V. Проще всего это устроить добавлением шунтирующего резистора RL-Ш. Его величина должна быть:
(Величину RL в конкретном ЗУ можно определить по его маркировке или реально замерить цифровым омметром на выключенном ЗУ и отключенной нагрузке).
Для снижения Uout проще всего шунтировать RU.
#) Для ковыряния во внутренностях ЗУ хорошо бы иметь у него разборный (не склеенный) корпус.
Автомобильные ЗУ (АЗУ)
В автомобильных ЗУ обычно используются понижающие (Buck, StepDown) ШИМ-преобразователи. Типичная выходная часть схемы ▼
Здесь:
SW — выход встроенного силового ключа преобразователя;
CBS — ёмкость вольтодобавки, используется только для преобразователей с N-MOS (или NPN) силовым ключом;
VD1 — клампирующий (фиксирующий) диод, используется только для простых (не синхронных) преобразователей;
CCOR – ёмкость коррекции обратной связи (может не использоваться);
RU и RL — исходный делитель обратной связи, задающий величину выходного напряжения;
RL-Ш — корректирующий резистор, добавляемый для повышения выходного напряжения.
Полная схема стремится установить такое выходное напряжение Uout, чтобы напряжение на выходе делителя RU/RL было равным внутреннему опорному напряжению UFB стабилизатора.
Величину UFB можно взять из data-sheet используемого преобразователя или реально замерить цифровым вольтметром на включённом и нагруженном ЗУ, через резистор 50÷100 kΩ (для обеспечения устойчивости схемы во время измерения).
Для подъема Uout на
10% необходимо изменить параметры делителя RU/RL так, чтобы напряжение на его выходе (точка соединения RU и RL) равнялось UFB не при 5,0 V на выходе ЗУ, а при
5,5 V. Проще всего это устроить добавлением шунтирующего резистора RL-Ш. Его величина должна быть:
Для UFB=1.23 V: RL-Ш=7.5*RL — для преобразователей MC34063, LM2576, LM2596, ACT4070;
Для UFB=0.925 V: RL-Ш=8.2*RL — для преобразователей CX8505, RT8272, AP6503, MP2307;
Для UFB=0.80 V: RL-Ш=8.4*RL — для преобразователей AX4102, XL4005.
(Величину RL можно определить по его маркировке или реально замерить цифровым омметром на выключённом ЗУ и отключенной нагрузке).
Для снижения Uout проще всего шунтировать RU.
(Используется в планшетах на RK3066 – Hyundai Hold X700, Window N101/YUANDAO N101; PIPO M1, PIPO Max-M8 pro, PIPO Smart-S2; CUBE U9GT3)
Содержит в своем составе DC/DC-преобразователь для зарядки аккумулятора и питания гаджета. Требует напряжения внешнего питания 5.5÷5.9 V (не менее 5.4 V на входе в гаджет) и используется в гаджетах с отдельным (не USB) разъемом зарядки.
Data-sheet на OZ8555 не нашел, но, похоже, у него порог срабатывания защиты от недостаточного напряжения питания UVLO (Under Voltage Lock Out) равен 5.1÷5.3 V вместо привычных для 5-вольтовых гаджетов 3.9÷4.5 V. такое свойство вполне бы объяснило некорректность работы от «чужой» зарядки, выдающей менее 5.4 V.
Uin-min — 3,9 V; Iin – 1.5/3 A
BQ24190 определяет тип зарядного порта в соответствии со спецификацией BG v1.2, при закороченных D– и D+ определяет порт как DCP и позволяет себе потреблять от внешнего питания ток более 0.5 A.
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