USB-PD - USB tápellátás
Az USB-PD egy specifikáció az elektronikus eszközök gyors töltésére az USB áramvezetékein keresztül. Az USB-PD független az aktuális USB-szabványtól. E mögött egy univerzális tápegység ötlete áll, amely alkalmas okostelefonokra, táblagépekre és notebookokra.
Okostelefonok és táblagépek esetében az USB-n keresztüli tápellátással történő töltés normális, még akkor is, ha a táblagépeknél egy kicsit tovább tarthat. Notebookoknál az USB-n keresztüli töltés gyakorlatilag nem lehetséges. Az USB tápellátással a notebookok legalább elméletileg USB-n keresztül is tölthetők.
Áttekintés: Tápellátás USB-n keresztül
Az USB a kábelcsatlakozásokon keresztül táplálja az egyszerű eszközöket, például az egeret, a billentyűzetet és a síkágyas lapolvasót. A szabványtól függően a teljesítmény 500 mW, 2,5 és 4,5 és 7,5 watt között mozog. Sajnos ez általában kevés ahhoz, hogy elegendő energiával biztosítsa az USB-eszközöket. Ezért sok USB-port a megengedett teljesítményértékeken kívül működik.
A tápellátással kapcsolatos problémák megoldása érdekében kiadták az USB tápellátás specifikációját az USB tápellátással (USB-PD) együtt. Az USB-C csatlakozón keresztül akár 100 watt teljesítményű eszközt is elláthat. Például egy notebook töltésére.
Áttekintés: feszültség, áram és teljesítmény
| 5 volt | 0,1 A | 0,5 W |
| 5 volt | 0,5 A | 2,5 W |
| 5 volt | 0,9 A | 4,5 W |
| 5 volt | 1,5 A | 7,5 W |
| 5 volt | 3 A | 15 W |
| 5-20 volt | 5 A | 100 W |
USB PD topológia
Annak érdekében, hogy egy okostelefont egy notebookon tölthessenek, és nem fordítva, van egy meghatározott áramlási irány, amely az operációs rendszertől és a működési állapottól függetlenül működik. A kikapcsolt eszközöket ily módon is lehet tölteni.
Erre a célra az USB-PD biztosítja az áramszolgáltatókat (szolgáltatókat), a fogyasztókat (fogyasztókat) és kombinált eszközöket. Szabadon terjeszthetők egy USB fában. A töltés áramlásának irányát és a profil maximális teljesítményét minden kábelcsatlakozáshoz külön-külön egyeztetjük.
Annak érdekében, hogy a szerkezet régebbi eszközökkel is működjön, az USB-A aljzatok az első szolgáltatók, az USB-B aljzatok pedig a fogyasztók. Ha semmi nem szól ellene, a töltés áramlási iránya automatikusan megváltozik.
Hogyan működik az USB-PD?
A tápegység és a végberendezés tárgyalja a feszültség és az áram kombinációját, és ezáltal a teljesítményt (profilt). A tápegység a rendelkezésre álló kombinációkat kínálja erre a célra, és a végberendezés kiválasztja belőlük a megfelelő profilt. Az USB-PD figyelembe veszi a csatlakoztatott eszközök töltési irányát.
USB-C típusú USB-kábellel az érintett eszközök az USB-C csatlakozó vezérlőcsatornáján (CC) keresztül egyeztetik a töltési feszültséget és a töltési áramot.
USB-C kábellel USB-PD-vel a csatlakozóban van egy chip, amelyet megfelelő töltési profilok jeleznek. Figyelembe veszik a kábel elektromos tulajdonságait.
Ha az érintett kábel nem vesz részt a profilok egyeztetésében, mivel ez csak egy egyszerű kábel, akkor ezen a kábelen legfeljebb 3 ampert továbbítanak. A rövid és vastag vonalak jelzik a használható töltőkábeleket.
USB PD profilok
| 5 V | 2 A | 10 W | Normál profil üzembe helyezéshez, kis mobil eszközökhöz, végberendezésekhez, okostelefonokhoz, mobiltelefonokhoz stb. |
| 5 V | 2 A | 18 W | Tabletták, kis noteszgépek, jövőbeli eszközök |
| 12 V | 1,5 A | ||
| 5 V | 2 A | 36 W | Kis noteszgépek, nagyobb eszközök |
| 12 V | 3 A | ||
| 5 V | 2 A | 60 W | Nagy noteszgépek, hubok, dokkoló állomások |
| 12 V | 3 A | ||
| 20 V | 3 A | ||
| 5 V | 2 A | 100 W | Munkaállomások, hubok, dokkoló állomások |
| 12 V | 5 A | ||
| 20 V | 5 A |
A specifikáció öt profilt ír elő különböző célokra. Az 1. profil megfelel a mai 10 wattos tápegységeknek (5 V, maximum 2 A), és ez az egyetlen profil, amely a szokásos USB kábelekkel megvalósítható. A magasabb profilokhoz speciális kábelekre van szükség, amelyeket nagyobb feszültségekre és áramokra terveztek.
A szokásos 5 voltos feszültség mellett a 2. és a 3. profil 12 V-ot is kínál, maximum 3 A-val, a 4. és 5. profil 20 V-ot, maximum 5 A-val (100 W).
Jegyzet: Legfeljebb 3 amper (5 V feszültség mellett) megy át a mikro USB csatlakozókon. Normál méretű csatlakozókon keresztül (A és B csatlakozók) 5 amper (5 V feszültség mellett). A nagy teljesítményű tartományban az USB-PD-hez USB-C csatlakozóra van szükség a kábel mindkét végén.
PPS - Programozható tápegység (USB-PD 3.0 verzió)
Annak érdekében, hogy a töltési idők rövidek legyenek, az okostelefonok minden nagyobb gyártója megvalósított egy gyors töltési funkciót. Annak érdekében, hogy a gyártóknak ne kelljen saját fejlesztésű gyors töltési funkciót kidolgozniuk, van egy USB-PD kiegészítő a gyorsan töltéssel tanúsított USB-C tápegységekhez.
Az USB Power Delivery 3.0 verzió az első hivatalos gyorstöltési szabvány, amely felválthatja az olyan védett megoldásokat, mint a Qualcomm QuickCharge és az Apple Lightning. A Quickcharge 4.0 technikailag megfelel az USB-PD megvalósításának.
Az USB-PD 3.0 használatával a feszültség és a maximális áram rögzített hozzárendelésével ellátott korábbi teljesítményprofilokat rugalmas energiaszabályok váltják fel. Minél nagyobb a névleges teljesítmény, annál több kombináció lehetséges.
A programozható tápegység, a PPS, lehetővé teszi, hogy az USB tápegységek ne csak 5 volt feletti fix szintet biztosítsanak, hanem széles feszültségintervallumokon keresztül is dinamikusan fussanak. Az áramellátás szükség szerint finom lépésekben szabályozza a feszültséget. Az okostelefonban van egy viszonylag hülye szabályozó, amely fix arányban átalakul. Az ilyen vezérlők olcsók, és az optimális működési ponton is mindig hatékonyan működnek. A tápegység folyamatosan meghatározza, hogy melyik feszültséget kell biztosítania.
1. példa: Egy 18 wattos tápegységnek ezt a 18 wattot kell leadnia 9 volt és 2 amper kombinációjaként. Vagy 5 volt, legfeljebb 3 amperrel.
2. példa: 50 wattos tápegység 5, 9 és 15 V feszültséget tud adni, mindegyik 3 amperrel. Ezenkívül 20 volt, legfeljebb 2,5 amperrel.
Megjegyzés: A 3 amper feletti áramerősség csak 20 V 45–100 wattos tápegységekkel lehetséges.
PPS nélkül az okostelefonnak aktívan tájékoztatnia kell a tápegységet arról, hogy melyik feszültség és áram kombinációra van szükség. Ellenkező esetben csak az 5 V és 1,5 A feszültségű USB-BC (akkumulátor töltés) kiterjesztést használják. Eredetileg csak 500 mA volt megengedett USB 2.0-val. A gyakorlatban az USB tápegységek és a gazdaadapterek soha nem tartják be az USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0 és USB-BC előírásokat.
Problémák az USB tápellátással
Az USB-n keresztüli tápellátás mindig is problémás volt a múltban. És az USB-PD-vel, amely nem fog változni. Az USB-PD-vel történő gyors töltés működéséhez USB-PD-képes távoli állomásokra van szükség, és a kábelnek megfelelő tápkábelnek kell lennie.
Nehéz felmérni, mennyire sikeres a feszültség- és áramegyeztetés a különböző gyártók készülékei és kábelei között. A gyakorlatban ez nagyon egyszerű dolgok miatt kudarcot vall. Nem minden gazda, periféria, hub és tápegység működik együtt. Különösen a különféle gyártók tápegységei és noteszgépei általában nem szabadon kombinálhatók egymással.
Az eszköztől, a tápegységtől és a kábeltől függően egyes eszközök töltődnek, de csak lassan. 5 volt feletti feszültség nélkül csak legfeljebb 15 watt lehetséges. A rossz kábel elegendő ahhoz, hogy csak 3 amperre korlátozza a töltést. Aktív USB-kábelre van szükség, amely elektronikus alkatrészeket tartalmaz az USB-C csatlakozóban, hogy több mint 3 amper átmenjen.
A helyzetet tovább rontja, hogy az USB-PD specifikáció tartalmaz néhány hiányosságot, ezért furcsa viselkedés fordulhat elő a gyakorlatban. A specifikáció nem határozza meg, hogy az eszközöknek hogyan kell viselkedniük, ha az áramellátás és a kereslet nem egyezik. Például nem világos, hogyan viselkedik a notebook, amikor megpróbálják feltölteni egy egyszerű okostelefon-tápegységgel.
Továbbá meg kell nézni, mi történik, ha egynél több feszültségforrás van egy USB-hálózatban. Például két tápegység. Elképzelhető, hogy az egyik tápegységet figyelmen kívül hagyják. Az intelligens felismerés azonban elképzelhető lenne abban is, hogy egy tápegységet eltávolítanak-e, majd az energiaellátást lehallgatják-e a második tápegységről. Megfelelő töltési funkciót feltételezve mindkét tápegység párhuzamosan használható. A megoldást a gyártókra bízzák.
Korlátozás lehet a 100 watt felső határa. Például, ha egy játékfüzetnek nagyobb energiára van szüksége. A gyakorlatban ezekhez az eszközökhöz külön tápfeszültségre van szükség. Még akkor is, ha ezek az eszközök rendelkeznek USB-C csatlakozókkal.
Sajnos ezek az ellentmondások azt jelentik, hogy a gyártóknak saját kezdeményezésre kell kibővíteniük a specifikációt és saját megoldásokat kell használniuk.