Comprendre les exigences de courant d'appel USB

Par rapport à une question précédente , j'essaie de comprendre les exigences USB 2.0 pour le courant d'appel. Je comprends l'idée de base, mais quelques détails ne sont toujours pas clairs pour moi. La spécification stipule, en partie, que:

La charge maximale (CRPB) pouvant être placée à l'extrémité aval d'un câble est de 10 μF en
parallèle avec 44 Ω. La capacité de 10 μF représente tout condensateur de dérivation directement connecté entre les lignes VBUS de la fonction, ainsi que tous les effets capacitifs visibles à travers le régulateur de l'appareil. La résistance de 44 Ω représente une charge unitaire de courant consommée par l'appareil pendant la connexion.

Si une plus grande capacité de dérivation est requise dans l'appareil, alors l'appareil doit incorporer une certaine forme de limitation de courant de surtension VBUS, de sorte qu'elle corresponde aux caractéristiques de la charge ci-dessus.

L'USB-IF fournit également une description d'un test de courant d'appel:

Le courant d'appel est mesuré pendant au moins 100 millisecondes après la connexion. La fixation est définie au moment où le VBus et les broches de terre de la fiche s'accouplent avec la prise.
Tout courant dépassant 100 mA pendant l'intervalle de 100 ms est considéré comme faisant partie de l'événement de courant d'appel. Le courant d'appel est divisé en régions. Une région est un intervalle où le courant dépasse 100 mA jusqu'au moment où le courant tombe en dessous de 100 mA pendant au moins 100 µs. Il peut y avoir plusieurs régions d'appel pendant la période de 100 ms. La réussite / l'échec est déterminé par la région ayant la charge la plus élevée.

C'est explicite dans la mesure où cela va, mais cela ne donne qu'un temps de mesure minimum, et il ne précise pas quel algorithme est appliqué aux régions d'appel pour arriver à une décision de réussite / échec. Je pense que l'idée est que dans les régions où le courant dépasse 100 mA, le courant est intégré pour que la charge totale soit transférée pendant cette fenêtre, et la charge totale ne doit pas être supérieure à ce que vous obtiendriez avec le 10 uF // 44 Charge Ω. Selon une source , ce serait 5V * 10 µF = 50 µC. C'est là que ma compréhension devient un peu fragile.

Pour m'aider à comprendre, j'ai analysé le circuit suivant :

[La résistance R1 ne fait partie d'aucune spécification, mais j'en ai besoin pour faire le calcul, et je peux la laisser aller à zéro si nécessaire.] Le courant commence à et décroît de façon exponentielle à avec constante de temps .$V_1/R_1$$V_1/(R_1 + R_2)$$(1/R_1 + 1/R_2)^{-1} C_1$

La charge totale transférée au temps sera$t$

Dans la limite où passe à zéro, cela se simplifie pour$R_1$

Une partie que je ne comprends pas, c'est qu'avec 5 volts du bus USB et la charge de 44 Ω prescrite, il y aura toujours un courant de 5 V / 44 Ω = 114 mA, ce qui est supérieur à la limite de 100 mA décrite dans l'USB cité. - Test IF, et également plus que la charge maximale d'une unité (c.-à-d. 100 mA) autorisée pour une fonction USB à faible consommation (spécification USB 2.0, section 7.2.1). Dans le cas limite R1 = 0, ce courant attirera autant de charge que le condensateur (soit 50 µC) en R2 * C1 = 440 µs.

Donc, si vous lisez encore, la question est de savoir ce que cela signifie, précisément, de «[faire correspondre] les caractéristiques de la charge ci-dessus» (c.-à-d. 44 Ω en parallèle avec 10 µF), et comment fonctionne l'appel USB-IF décrit test actuel décider combien de courant est trop?

Merci.

La réponse est: personne ne sait.

Eh bien, quelqu'un le sait, mais le test de réussite / échec de l'appel est considéré comme une information exclusive et la façon dont cette détermination est effectuée n'est pas publiée par l'USB-IF, pour des raisons qui lui sont propres. Je sais que ce n'est pas une réponse très satisfaisante, mais c'est la simple vérité.

Pour citer la page des tests de conformité électrique (le texte est en rouge pour que vous sachiez qu'ils sont encore plus sérieux que le niveau normal de gravité USB-IF):

REMARQUE: Certaines des solutions de test approuvées suivantes utilisent un logiciel propriétaire pour évaluer la qualité du signal et déclencher les événements actuels. Le seul outil d'analyse officiel pour certifier la qualité du signal et le courant d'appel est l' USBET20 publié par l'USB-IF. Veuillez vous assurer d'exécuter la qualité du signal capturé et d'appeler les données de test actuelles via USBET pour une évaluation officielle de la mesure.

Donc, ils disent explicitement que vous ne pouvez pas faire la détermination en utilisant une capture de forme d'onde seule ou la fonctionnalité "USB inrush test" de plusieurs oscilloscopes (je n'ai jamais vu cela, donc je ne dois pas utiliser des oscilloscopes assez chers) non valide et le seul moyen de répondre à la mise en conformité actuelle est si USBSET20 indique que votre appareil est conforme. Il prend les données de capture de forme d'onde .tsv / .csv et élimine la justice de conformité USB (au format html).

Depuis la page de téléchargement des outils USB:

USBET20 (8 Mo, août 2016) est un outil d'analyse de signal électrique autonome pour les tests de conformité USB. USBET20 est l'outil d'analyse électrique de conformité officiel qui effectue des évaluations de réussite / échec sur la qualité du signal et les données de courant d'appel capturées à partir d'un oscilloscope.

Pour approfondir, ils ne vous indiquent que le temps de mesure minimum car c'est tout ce que vous devez savoir. Vous n'avez pas besoin de savoir comment la détermination de réussite / échec réelle est effectuée, et en fait, ils ne le disent pas. L'USB-IF est disposé à vous dire si vous êtes en conformité, mais il ne dit à personne comment il détermine cela (au moins pour le courant d'appel).

Cette charge maximale en aval est une spécification pertinente pour un périphérique en amont (port hôte ou concentrateur), ce qui signifie que lors de la conception de l'un d'entre eux et NON d'un périphérique, ce concentrateur ou ce port devrait pouvoir résister à une charge maximale en aval d'une résistance de 44 Ω et d'un Condensateur 10µF en parallèle. Et vous avez tout à fait raison - cela pourrait tirer jusqu'à 25 mA au-dessus de la limite de 100 mA dans les conditions les plus extrêmes. En tant que tel, un dispositif en amont doit être capable de gérer une telle charge («poignée» signifiant ne pas souffrir plus d'un affaissement de 330 mV) étant connecté.

Cependant, si votre périphérique était une telle charge, il ne respecterait pas la conformité car il consommera plus de 100 mA à une partie (essentiellement la totalité) de la plage de tension possible. Cette charge est entièrement conçue comme le pire scénario de conception pour les périphériques en amont et est utilisée pour les tester. Il n'est pas pertinent pour un test de conformité de courant d'appel périphérique.

Ce qui est pertinent, c'est qu'il ne s'agit pas vraiment du courant. C'est une question de charge, donc vous êtes déjà sur la bonne voie avec ça. Plus précisément, il s'agit de la chute de tension. Un port en amont sur un concentrateur ne doit pas avoir moins de 120 µF de très faible capacité ESR sur sa sortie VBUS, le bus alimentant les périphériques en aval.

Un hôte ou un concentrateur alimenté produisant la pire tension de sortie (4,75 V), passant par les connecteurs les plus fous, le câble le plus folle, vers un concentrateur non alimenté qui utilise également les connecteurs les plus fous, puis ce concentrateur a en outre la tension d'entrée VBUS la plus folle sur la sortie VBUS / chute de tension en aval (350mV), la tension sera de 4,4V. Ce 4,4 V, connecté via des connecteurs merdiques à un périphérique merdique, peut lui faire voir la tension minimale absolue réelle pour un appareil de faible puissance: 4,35 V. À partir de la page 175 de la spécification USB 2.0:

Faisons quelques calculs. un concentrateur amont non alimenté doit avoir 120µF de capacité aval. À 4,4 V * 120 µF, c'est 528 µC de charge. Un appareil connecté a un condensateur de 10µF. Si vous prétendez qu'il n'y a pas de charge statique ou d'alimentation, juste un condensateur chargé sur le port et un 10µF non chargé dans le périphérique, la charge sera distribuée non pas jusqu'à ce que l'autre soit pleine, mais jusqu'à ce que la tension entre eux soit égale. La charge est conservée, de sorte que le point auquel les deux tensions des condensateurs seront égales, compte tenu de 528 µC de charge de démarrage, est d'environ 4,06 V. Ou, 40,6 µC transférés. Ajoutez les résistances du connecteur et le condensateur en aval ne pourra même pas tirer autant de charge pendant l'appel.

Donc, littéralement, le seul facteur important est qu'il ne dépasse pas 10µF. Le courant n'est pas vraiment la chose qui compte, c'est la façon dont la capacité du port en aval du concentrateur peut être épuisée sans s'affaisser de plus de 330 mV pendant le transitoire avant que des choses comme l'inductance du câble ne donnent le temps à la puissance réelle de l'hôte de rattraper. Et un condensateur de 10µF est la valeur disponible la plus proche qui ne le fera pas.

Notez également qu'il n'y a pas de limite de capacité. Vous pouvez avoir 1F de toute la capacité céramique sur un appareil en aval, tant que vous l'avez divisé en sections de 10µF, et qu'un seul se connectera lors de la connexion. Une fois l'appareil connecté, vous devez rester en dessous de tout pas de 10µF , mais vous pouvez progressivement "en ligne" plus de capacité par incréments de 10µF. Le tout est d'éviter ce transitoire.

Et oui, cela signifie qu'un périphérique de faible puissance est non seulement censé fonctionner jusqu'à 4,35 V, mais aussi résister à un transitoire de tension de 330 mV, comme lorsque quelque chose de nouveau est connecté à un concentrateur. Cela signifie également que, théoriquement, si vous branchez deux appareils JUSTEMENT au bon moment afin d'être presque simultanés, vous pouvez éventuellement perturber le fonctionnement d'autres appareils sur le concentrateur non alimenté. Je suis sûr que les robots, avec leurs HPET, exploiteront cette faille critique dans notre spécification de bus USB pour provoquer notre chute.

Maintenant, il y a probablement d'autres aspects subtils comme les taux dI / dT ou quoi que ce soit d'autre. Qui sait exactement ce qui est incorporé dans le test de réussite. Étant donné qu'ils ont un programme d'installation complet de 7,5 Mo pour le programme qui effectue ce test, il est probablement sûr de supposer que ce n'est pas quelque chose de simple. Mais gardez à l'esprit que vous essayez d'éviter de sur-épuiser les réservoirs de condensateurs en amont avec votre propre capacité en aval, et c'est vraiment tout ce qu'il y a à faire. Tant que vous ne provoquerez pas la défaillance d'autres appareils en raison du transitoire de tension que votre périphérique pourrait potentiellement provoquer, vous serez bien. Et vraiment, cela revient à maintenir la capacité vue sur l'attache ou d'autres changements d'état d'alimentation à 10µF. En fait, il vaudrait mieux essayer d'avoir moins que cela, 10µF est le maximum. Je ne ' Je ne sais pas où est née l'idée que le maximum absolu devrait être la capacité «standard» commencée, mais les bons ingénieurs savent mieux que d'aller chercher des valeurs maximales. Toujours sous-estimer. J'aime un joli condensateur de 4,7µF. Si vous avez besoin de plus de découplage, tout ce que vous avez à faire est de ne pas le connecter directement au VBUS et de le limiter à 100mA de surtension et vous êtes en or. Mais vous êtes autorisé à dépasser 100mA - tant que seulement 40,6µC de charge sont transférés pendant une région.

Ne vous inquiétez pas du courant d'appel. Le test du courant d'appel ne concerne pas vraiment le courant d'appel.

Les tests d'appel sont spécifiés dans les mises à jour de conformité USB-IF, http://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45 .

Le courant d'appel est mesuré pendant au moins 100 millisecondes après la connexion. La fixation est définie au moment où le VBus et les broches de terre de la fiche s'accouplent avec la prise. Tout courant dépassant 100 mA pendant l'intervalle de 100 ms est considéré comme faisant partie de l'événement de courant d'appel. Le courant d'appel est divisé en régions. Une région est un intervalle où le courant dépasse 100 mA jusqu'au moment où le courant tombe en dessous de 100 mA pendant au moins 100 µs. Il peut y avoir plusieurs régions d'appel pendant la période de 100 ms. La réussite / l'échec est déterminé par la région ayant la charge la plus élevée.

La réussite / l'échec est de 50 uC ou 5V x 10uF (@metacolin a pris en compte l'affaissement mais pas l'USB).

Vous pouvez approximer l'appel en regardant une capture de l'oscilloscope du courant et en calculant la zone (i * dt) au-dessus de 100 mA pour chaque région et vérifier la pire des régions au cours des 100 ms après l'attachement.

USBET effectue le calcul sur la base des données .csv.

Le courant de crête réel en lui-même n'est pas pertinent.

Il s'agit d'une spécification pour un concentrateur USB ou un adaptateur hôte. Le modèle de boîte noire représente une charge typique pour les tests de surtension, mais la spécification ne nécessite qu'un plafond minimum de 1 uF sur le périphérique, 10 uF est considéré comme la charge de valeur standard. Étant donné que les condensateurs sont de toutes sortes avec un ESR aussi bas que 10 mΩ, la surtension sera limitée par l'ESR du capuchon et la résistance du câble de 1 ou 1,5 m. Si le câble et les connecteurs étaient négligés ou 0 Ω, en théorie, cela pourrait être une surtension de 500A = 5V / 0,01Ω ESR.

En pratique, ce sera beaucoup moins, mais le fait est que l'hôte doit être capable d'empêcher une condition de sous-tension indépendamment de l'ESR du capuchon.

La façon de procéder dépend du concepteur.

Alors votre question ...

comment le test de courant d'appel USB-IF décrit décide-t-il de la quantité de courant excessive?

Réponse: par la tension de l'hôte restant dans les spécifications de tension, de sorte que les autres ports ne voient pas une condition hors spécifications, à partir d'une surtension de courant d'appel enfichable à chaud. C'est l'intention de ce test.

De plus, si le test ne détecte aucune surtension> 100 mA avec le test de boîte noire, il pourrait ne pas détecter un appareil inséré à chaud avec une charge minimale de 1 uF. Il y a donc une surtension minimum attendue et pas de pic maximum, mais il y a une durée maximum.