Comment fonctionnent les ports de chargement USB et de chargement «intelligents» (par exemple, le PowerIQ d'Anker)?

Ingénieur logiciel avec une compréhension amateur d'EE ici.

J'ai remarqué récemment de nombreuses affirmations de producteurs de batteries USB selon lesquelles leurs ports sont «intelligents» et «identifient l'appareil» pour «fournir le courant maximal pour l'appareil». Un examen rapide de la question semble impliquer que ce n'est pas un langage de marketing complet, et qu'il se passe en fait quelque chose de plus compliqué.

Ne comprenant pas la chimie subtile des batteries lithium-ion ou la nature des contrôleurs de charge, je suppose que pour charger une batterie le plus rapidement possible, vous consommez autant de courant que possible, en le limitant uniquement aux spécifications de la batterie. Cela ne doit pas être le cas, car il est documenté que les appareils limitent leur charge à 1A dans certains cas, alors qu'ils pourraient sûrement en tirer plus. Pourquoi est-ce?

Si le tirage actuel est ainsi contrôlé, que se passe-t-il avec ces ports intelligents pour permettre à l'appareil de tirer plus de courant? À partir d'une page de produit pour une batterie Anker, ils affirment que leurs ports identifient l'appareil et "parlent son langage de charge unique" (ce libellé me ​​rend nauséeux). Peut-être que je ne devrais pas réagir si durement à cette formulation - les lignes de données USB sont-elles réellement utilisées pour négocier un modèle de charge?

Merci!

Il y a deux ajouts à la spécification USB qui permettent un courant supérieur à 500 mA.

Spécifications de charge de la batterie USB 1.1 . Permet jusqu'à 1,3 A.

spécification de charge de la batterie USB 1.2 (et ce ). Permet jusqu'à 5A.

Sommaire:

• USB 2.0 - BCS 1.1: courant 1,3 A, pas de transmission de données.
• USB 2.0 - BCS 1.2: courant 5A avec données.
• USB 3.0 - BCS 1.2: gestion actuelle de 5 A mais courant limité à 1,5 A, aucune donnée.

Plus peut être trouvé ici

Edit: Parfois, le fabricant ne suit pas la norme et utilise quelque chose de propriétaire. Parfois, le "quelque chose de propriétaire" serait de laisser les broches de données suspendues dans l'air ou à une certaine tension, puis de fournir une quantité arbitraire de courant ...

En pratique, les chargeurs «intelligents» utilisent une puce spéciale appelée contrôleur de port de charge dédié . Un contrôleur DCP peut agir comme différents chargeurs et choisit le mode qui semble fonctionner le mieux.

En effet, les chargeurs muraux ordinaires (`` stupides '') utilisent les connexions de données USB pour signaler de manière statique et analogique ce dont ils sont capables. Les chargeurs `` intelligents '' peuvent faire la même chose, mais de manière moins statique: ils observent le comportement de l'appareil de charge et en déduisent la configuration idéale - qu'ils peuvent ensuite émuler.

Des exemples de puces de contrôleur de port de charge dédiées sont le contrôleur de port de charge USB de la série TPS2510 de Texas Instruments, le contrôleur d' émetteur / adaptateur de chargeur hôte USB Maxim MAX14600 et le contrôleur de port de charge rapide USB Norelsys NS3601 .

Une image de la fiche technique du TPS2513a (copyright TI):

De même, le MAX14600 (copyright Maxim):

Vous pouvez voir que les lignes de données USB («DP» et «DM») ont plusieurs ressources configurables sur elles, et celles-ci sont contrôlées par une logique «intelligente».

Quelques explications

Différents appareils rechargeables nécessitent différents types de chargeurs. Cela est dû en partie au fait que la spécification USB ne spécifiait pas le comportement de `` charge '' au départ, et en partie parce que certains fabricants souhaitent que leurs appareils ne se chargent que le plus rapidement sur leurs propres prises murales. De plus, un appareil ne peut pas consommer plus de courant que ce qu'il peut supposer autorisé , pour éviter le risque de surchauffe d'une source d'alimentation mal conçue.

Remarque: l'explication ci-dessous ignore les technologies USB3, USB Power Delivery et Qualcomm Quick Charge, qui compliquent encore plus les choses (par exemple, elles prennent en charge l'augmentation de la tension au-dessus de 5 volts).

Ces types de prises USB peuvent être distingués:

• Port USB standard (comme sur un PC). C'est ce qu'on appelle SDP , Standard Downstream Port. Un SDP fournit jusqu'à 100 mA et peut augmenter cette limite jusqu'à 500 mA si l'appareil connecté le demande gentiment, et l'hôte USB convient que c'est possible et autorisé.
  • En pratique, presque tous les SDP fournissent 500mA même sans communication appropriée. Les gadgets USB tels que les petits ventilateurs et les chauffe-tasses ne communiquent pas, mais nécessitent toujours plus de 100 mA.
• Port USB avec capacité de communication et fonctionnalité de charge supplémentaire. C'est ce qu'on appelle CDP : Charging Downstream Port. Celui-ci peut fournir jusqu'à 1500mA. Les appareils en aval non communicants peuvent le signaler au chargeur en connectant les lignes de données USB D + et D- avec une résistance ou un court-circuit.
• La norme chinoise de l'industrie des télécommunications YD / T 1591-2009 est antérieure et inspirée à la spécification CDP. Il spécifie un court-circuit entre D + et D-.
• Port USB sans capacité de communication (comme dans une prise murale). C'est ce qu'on appelle DCP : Port de charge dédié. Il s'agit essentiellement d'un CDP sans moyen de parler à l'hôte USB (PC).
• Ports DCP qui ne respectent pas les spécifications DCP (de la version 1.2 de la spécification de charge de la batterie USB). Ces prises murales ont différentes configurations de résistances connectées aux lignes de données, ce qui entraîne des tensions fixes qui peuvent être lues par le dispositif de charge. La liste des tensions «reconnaissables» est très longue, ce n'est qu'un extrait:
  • Apple 0,5A (D + à 2V, D- @ 2V)
  • Apple 1A (2V / -2,8V)
  • Apple 2.1A (2.7V / 2.0V)
  • Apple 2,4 A (2,7 V / 2,0 V)
  • Sony (3,3 V / 3,3 V)
  • Beaucoup (y compris Samsung) 2A (1,2 V / 1,2 V)

Les chargeurs «intelligents» - c'est-à-dire les «puces de contrôleur DCP à l'intérieur - peuvent émuler un port DCP standard avec différentes valeurs de résistance, et peuvent également émuler plusieurs des tensions DCP non standard.

La sauce secrète

Les fabricants de puces ne décrivent pas vraiment comment fonctionne leur logique de `` détection '', mais la seule option qu'ils ont est de surveiller ce que fait le dispositif de charge sur les lignes D + et D-, et de regarder le courant qui est consommé.

Cela nécessite sans aucun doute beaucoup de recherches d'essais et d'erreurs, et l'algorithme est probablement gardé comme un secret bien gardé.

Une technique qui pourrait être utilisée consiste à parcourir les états émulés et à noter la quantité de courant qui est tirée. L'état avec le courant le plus élevé est alors le «meilleur» et reste actif.

Note de côté

Ne soyez pas dérouté par la commercialisation des fabricants de chargeurs qui prétendent qu'un chargeur " délivre le courant maximum pour l'appareil". Une prise USB est une source de tension ; il contrôle uniquement la tension et c'est le dispositif de charge qui «décide» combien de courant il «prend» pendant la charge.

Il n'y a donc aucun moyen qu'un chargeur puisse «forcer» un courant dans un appareil qui ne l'accepte pas, du moins pas en restant en dessous du maximum sûr de 5,1 volts.

La seule chose qui se passe est une ruse pour faire croire au chargeur qu'il est connecté au chargeur le plus capable, le mieux adapté et le plus compatible qu'il puisse imaginer.

Liens supplémentaires

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB
• http://lygte-info.dk/info/USBinfo%20UK.html
• http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2514a-q1.pdf
• https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX14600-MAX14618.pdf
• http://www.norelsys.com/English/chanpinzhongxin/SMARTPOWER/2015/0601/123.html

Je ne suis aussi qu'un ingénieur logiciel, mais une partie de mon travail consiste à lire les documents de spécification USB. Voici ce que je sais:

Il existe deux protocoles officiels pour l'alimentation via USB. Le premier, BCD, a été publié en 2007 et mis à jour en 2010. Il utilise diverses astuces de ligne de données pour identifier la quantité d'énergie que le périphérique en aval est autorisé à absorber. Cela ne doit pas être une poignée de main USB complète. Par exemple, un chargeur dédié s'identifie comme tel simplement en court-circuitant D + à D-. Cela indique que l'appareil en aval peut descendre jusqu'au courant de charge maximal, qui, je crois, est de 1,5 A. Vous pouvez lire la spécification BCD ici .

Le protocole le plus récent est PD (Power Delivery), qui est distribué dans le cadre de la spécification USB principale . PD est vraiment intéressant. Il permet d'échanger des informations d'alimentation sur les lignes de tension plutôt que sur les lignes de données, et il peut supporter jusqu'à 100 W (20 V / 5 A). Cependant, les applications à haute puissance nécessitent que le câble soit marqué électroniquement pour indiquer que le câblage peut supporter une haute tension / un courant élevé sans fondre. :-) Il y a plusieurs "marquages" définis dans la spécification, mais ils semblent tous impliquer de laisser tomber une résistance ou un condensateur entre deux broches de la fiche.

Cela dit, la probabilité qu'un câble ou un chargeur implémente correctement l'ensemble des spécifications semble assez faible. Vous pouvez suivre les exploits de Benson Leung sur Amazon.com pour voir combien de façons les fabricants ont trouvé pour visser cela.

Je ne sais pas avec certitude, mais je pense qu'il est très probable que des étiquettes de marketing comme "PowerIQ" indiquent des chargeurs qui essaient d'atteindre la compatibilité avec autant d'appareils et de câbles que possible, y compris ceux qui sont désespérément non standard. Malheureusement, il n'y a aucun bon moyen de dire à quel point un chargeur particulier se rapproche de cet idéal.

(ancien sujet, mais nouvelles informations basées sur les dernières spécifications USB.)

Comme déjà mentionné, les nouvelles spécifications USB permettent une tension de charge supérieure à 5 V, si l'appareil le demande.

Sous l'extension "USB Power Delivery" (PD) (USB PD rev. 3.0, ver 1.0a maintenant), jusqu'à 5 A à 5 V, 9 V, 15 V ou 20 V peuvent être fournis à l'appareil connecté, avec un maximum de 100W d'origine. Il existe de nombreuses règles que le «dispositif demandeur» doit suivre pour ces cas.

Ce serait typiquement pour les ordinateurs portables ou autres appareils qui ont un nombre de cellules et / ou des tensions de fonctionnement plus élevés. Les câbles doivent également être conçus et spécifiés pour gérer ces conditions.

(oui, je suis EE ... depuis plus de 35 ans)

Je partage votre nausée à ce propos, mais je suis d'accord qu'il y a probablement une part de vérité derrière cette affaire. Les périphériques USB se déclarent en fonction des ID de fournisseur, de produit et de périphérique afin que l'hôte puisse reconnaître ce qui est connecté et le traiter en conséquence (ex: recherche du pilote approprié). De plus, je ne suis pas un expert en batteries, mais j'ai été suffisamment exposé pour savoir que les batteries Li-ion ont des exigences de charge étranges pour éviter la surchauffe. Il n'est pas déraisonnable de penser qu'un produit USB pourrait négocier un modèle de charge plus optimal, comme cela est décrit ici, étant donné qu'il interface avec un pilote ou un produit personnalisé à l'autre extrémité.

Un exemple d'un modèle de charge Li-ion que j'ai vu est un courant constant jusqu'à ce que la tension de la batterie atteigne 4,0 V, suivi d'une tension constante jusqu'à ce que la batterie atteigne 4,2 V. Peut-être que différentes batteries ont des modèles différents (encore une fois, je ne suis pas un expert en batteries).

[...] il se passe en fait quelque chose de plus compliqué.

Oui. En bref, les ports intelligents utilisent des hacks de mécanismes de charge non standardisés pour obtenir des courants optimaux. L'hypothèse courante selon laquelle tous les périphériques USB basent leurs protocoles de charge uniquement sur la spécification USB ou l'extension BCS est fausse.

De nombreux chargeurs USB ne disposent que de ports de broches de données flottants `` stupides '' décrits par les ports de charge dédiés BCS, alias DCP.

Un port intelligent peut agir comme un port stupide (DCP) ou il peut émuler plusieurs ports propriétaires dans le cas où la spécification USB / BC n'est pas prise en charge ou optimale. Cette émulation peut se décomposer dans certains scénarios et provoquer des problèmes, c'est pourquoi chaque marque de chargeur intelligent essaie de se distinguer en termes de fiabilité, de vitesse et de compatibilité. Leur fabrication peut impliquer une ingénierie inverse.

Idéalement, des chargeurs «intelligents» ne seraient pas nécessaires et tous les appareils utiliseraient la même norme de charge. S'il ne s'agit pas d'un hôte / chargeur, il reconnaît qu'un appareil peut:

• Chargez lentement
• Pas du tout facturé.
• Rechargez à la vitesse de spécification USB standard (pas BCS) (c.-à-d. 5 unités d'alimentation pour un périphérique USB pleine puissance, 1 pour une faible puissance, 5 pour une connexion d'alimentation non énumérée uniquement). Ceci est normalement plus lent que son max.
• Chargez à la vitesse BCS, puis ils pourraient tirer jusqu'à 5 A d'un DCP. Bien que je n'aie jamais vu plus de 3A annoncés pour un seul port. Cela peut encore être plus lent que ce qu'il pourrait faire avec son propre chargeur.

[...] que se passe-t-il avec ces ports intelligents pour permettre à l'appareil de tirer plus de courant? [...] les lignes de données USB sont-elles réellement utilisées pour négocier un modèle de charge?

En quelque sorte, cela dépend de la spécification de charge que vous regardez. Je crois qu'Apple utilise les lignes de données, mais rien de complexe ne se produit, elles sont juste réglées sur 3V pour indiquer qu'il s'agit d'un chargeur Apple.

Le DCP n'est pas le seul port de charge décrit par le BCS. Certains (quelques) appareils préfèrent exiger une énumération (c'est-à-dire utiliser la poignée de main des broches de données) et ont donc besoin d'un CDP (port de chargement en aval) qui est plus complexe car il permet le transfert de données en plus de la charge. Je suppose qu'un port entièrement compatible BCS, c'est-à-dire pouvant basculer entre CDP et DCP, pourrait être considéré comme «intelligent» même s'il n'émule aucune autre technologie.

J'imagine que pour charger une batterie aussi rapidement que possible, on consomme le plus de courant possible, [...] ils pourraient sûrement en tirer plus. Pourquoi est-ce?.

Exact, mais seulement si le chargeur répond à leurs spécifications, sinon je suppose qu'ils ne lui font tout simplement pas confiance. Ou peut-être que cela a à voir avec la concurrence et les brevets, ou avec des algorithmes qui optimisent la durée de vie de la batterie. Je pense que le comment est plus intéressant que le pourquoi.

Je ne suis pas non plus EE. (Également ingénieur logiciel avec une compréhension de l'électronique par un amateur bien lu.)

Je crois comprendre que la convention veut que les périphériques USB normaux consomment au maximum 500 mA, pas plus. Rien de plus est une violation de la norme USB.

Les chargeurs USB «intelligents» incluent une logique SSD avec des puces de communication série. Lorsque vous branchez un appareil qui veut un courant plus élevé, il envoie une requête au bloc d'alimentation en disant quelque chose comme "Je veux 2 ampères. Est-ce que ça va?" Si l'alimentation est un port USB de vidage, il ne répond pas du tout, de sorte que l'appareil ne fonctionne pas ou ne consomme que 500 mA par défaut (et se charge beaucoup plus lentement.

J'ai un téléphone Samsung S5 et une note 10.1 (édition 2014). J'ai un compteur USB en ligne qui mesure la tension, le courant et maH. Lorsque l'un de ces appareils est connecté au chargeur OEM, la sortie du chargeur monte à 5,5 volts et le courant de charge est d'environ 1,6 ampères. Si j'essaie d'utiliser une verrue murale bon marché évaluée à 1 ampère, la tension reste à 5,0 et elle se charge à 0,8 ampères. J'ai également plusieurs chargeurs alimentés par batterie. La plupart d'entre eux, bien que évalués à 2 ampères ou plus, ne fournissent que 5,0 volts et le courant de charge reste à environ 0,8 ampères. J'en conclus que le protocole Samsung est pour les appareils de demander une charge rapide par l'un des moyens indiqués ci-dessus, et que le chargeur signale qu'il est capable de cela en augmentant sa sortie à 5,5 volts.