USB-PD - Доставка живлення через USB
USB-PD - це специфікація для швидкої зарядки електронних пристроїв за допомогою струмопровідних ліній USB. USB-PD не залежить від фактичного стандарту USB. За цим стоїть ідея універсального джерела живлення, яке підходить для смартфонів, планшетів та ноутбуків.
У смартфонах і планшетах зарядка за допомогою джерела живлення через USB є звичайною, навіть якщо для планшетів це може зайняти трохи більше часу. У ноутбуках зарядка через USB практично неможлива. Завдяки USB Power Delivery, ноутбуки принаймні теоретично також можуть заряджатися через USB.
Огляд: живлення через USB
USB забезпечує прості пристрої, такі як миша, клавіатура та планшетний сканер, живленням через кабельні з'єднання. Залежно від стандарту потужність коливається від 500 мВт, від 2,5 до 4,5 і 7,5 Вт. На жаль, цього зазвичай замало, щоб забезпечити USB-пристрої достатньою потужністю. Тому багато портів USB працюють за межами допустимих значень продуктивності.
Для вирішення проблем, що виникають із джерелом живлення, було випущено специфікацію для живлення через USB із USB Power Delivery (USB-PD). Ви можете забезпечити пристрій потужністю до 100 Вт через роз'єм USB-C. Наприклад, щоб зарядити блокнот.
Огляд: напруга, струм і потужність
| 5 вольт | 0,1 А | 0,5 Вт |
| 5 вольт | 0,5 А | 2,5 Вт |
| 5 вольт | 0,9 А | 4,5 Вт |
| 5 вольт | 1,5 А | 7,5 Вт |
| 5 вольт | 3 А | 15 Вт |
| Від 5 до 20 вольт | 5 А | 100 Вт |
Топологія USB PD
Щоб смартфон можна було заряджати на ноутбуці, а не навпаки, існує визначений напрямок потоку, який працює незалежно від операційної системи та стану роботи. Вимкнені пристрої також можна заряджати таким чином.
Для цього USB-PD забезпечує постачальників (постачальників) електроенергії, споживачів (споживачів) та комбіновані пристрої. Їх можна вільно розповсюджувати на дереві USB. Напрямок потоку заряду та максимальна потужність профілю обговорюються окремо для кожного кабельного з'єднання.
Щоб структура також працювала зі старими пристроями, розетки USB-A є першими постачальниками, а розетки USB-B - споживачами. Якщо ніщо не говорить проти цього, напрямок потоку заряду змінюється автоматично.
Як працює USB-PD?
Блок живлення та кінцевий пристрій узгоджують поєднання напруги та струму і, отже, потужності (профілю). Блок живлення пропонує для цього доступні комбінації, і кінцевий пристрій вибирає з них відповідний профіль. USB-PD враховує напрямок зарядки підключених пристроїв.
За допомогою USB-кабелю типу USB-C задіяні пристрої узгоджують зарядну напругу та струм зарядки через канал управління (CC) роз'єму USB-C.
За допомогою кабелю USB-C з USB-PD в роз’ємі є мікросхема, яка позначена відповідними профілями зарядки. Враховуються електричні властивості кабелю.
Якщо задіяний кабель не бере участі у переговорах про профілі, оскільки це лише простий кабель, то по цьому кабелю буде передано не більше 3 ампер. Короткі та товсті лінії є ознаками корисних зарядних кабелів.
Профілі USB PD
| 5 В | 2 А | 10 Вт | Стандартний профіль для введення в експлуатацію, невеликі мобільні пристрої, кінцеві пристрої, смартфони, стільникові телефони тощо. |
| 5 В | 2 А | 18 Вт | Планшети, невеликі ноутбуки, майбутні кінцеві пристрої |
| 12 В | 1,5 А | ||
| 5 В | 2 А | 36 Вт | Маленькі ноутбуки, більші пристрої |
| 12 В | 3 А | ||
| 5 В | 2 А | 60 Вт | Великі ноутбуки, концентратори, док-станції |
| 12 В | 3 А | ||
| 20 В | 3 А | ||
| 5 В | 2 А | 100 Вт | Робочі станції, концентратори, док-станції |
| 12 В | 5 А | ||
| 20 В | 5 А |
Специфікація передбачає п’ять профілів для різних цілей. Профіль 1 відповідає сучасним 10-ватним блокам живлення (5 В при максимумі 2 А) і є єдиним профілем, який можна реалізувати за допомогою звичайних кабелів USB. Для вищих профілів потрібні спеціальні кабелі, призначені для вищих напруг і струмів.
На додаток до стандартної напруги 5 вольт, профілі 2 і 3 також пропонують 12 вольт з максимумом 3 А, профілі 4 і 5 також пропонують 20 вольт з максимумом 5 А (100 Вт).
Примітка: Через роз'єми micro USB проходить максимум 3 ампера (при 5 вольт). Через роз'єми звичайного розміру (штекери A і B) 5 ампер (при 5 вольт). У високопродуктивному діапазоні USB-PD вимагає роз’єму USB-C на обох кінцях кабелю.
PPS - програмований блок живлення (USB-PD версія 3.0)
Щоб скоротити час зарядки, кожен великий виробник смартфонів ввів функцію швидкої зарядки. Щоб виробникам не довелося розробляти власну запатентовану функцію швидкої зарядки, існує надбудова USB PD для сертифікованих для швидкої зарядки джерел живлення USB-C.
USB Power Delivery версії 3.0 - це перший офіційний стандарт швидкої зарядки, який може замінити власні рішення, такі як QuickCharge від Qualcomm та Lightning від Apple. Quickcharge 4.0 технічно відповідає реалізації USB-PD.
З USB-PD 3.0 попередні профілі живлення з фіксованим присвоєнням напруги та максимального струму будуть замінені гнучкими правилами живлення. Чим вище номінальна потужність, тим більше можливо комбінацій.
Програмований блок живлення, PPS, дозволяє джерелам живлення USB не тільки забезпечувати фіксовані рівні понад 5 вольт, але і динамічно проходити через широкі інтервали напруги. Блок живлення регулює напругу дрібними кроками за необхідності. У смартфоні є порівняно дурний контролер, який перетворюється у фіксованому, заздалегідь визначеному співвідношенні. Такі контролери коштують недорого, а також завжди ефективно працюють в оптимальній робочій точці. Блок живлення постійно визначає, яку напругу він повинен подавати.
Приклад 1: 18-ватне джерело живлення повинно подавати ці 18 Вт у поєднанні 9 вольт і 2 ампер. Або 5 вольт з напругою до 3 ампер.
Приклад 2: Джерело живлення потужністю 50 Вт може подавати напругу 5, 9 і 15 вольт з 3 амперами кожен. Крім того, 20 вольт з напругою до 2,5 ампер.
Примітка: Струм понад 3 ампер можливий лише при джерелах живлення 20 В від 45 до 100 Вт.
Без PPS смартфон повинен активно повідомляти джерело живлення про необхідне поєднання напруги та струму. В іншому випадку використовується розширення специфікації USB-BC (зарядка акумулятора) лише на 5 В та 1,5 А. Спочатку з USB 2.0 дозволялося використовувати лише 500 мА. На практиці джерела живлення USB та хост-адаптери ніколи не дотримувались специфікацій USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0 та USB-BC.
Проблеми з доставкою живлення через USB
Раніше джерело живлення через USB завжди було проблематичним. А з USB-PD це не зміниться. Для швидкої зарядки за допомогою USB-PD потрібні віддалені станції, що підтримують USB-PD, і кабель повинен бути відповідним кабелем живлення.
Важко оцінити, наскільки успішним є узгодження напруги та струму між пристроями та кабелями різних виробників. На практиці це не вдається через дуже прості речі. Не всі хости, периферійні пристрої, концентратори та джерела живлення співпрацюють між собою. Зокрема, блоки живлення та ноутбуки різних виробників, як правило, не можна вільно поєднувати між собою.
Залежно від пристрою, блоку живлення та кабелю, деякі пристрої заряджатимуться, але тоді лише повільно. Без напруги вище 5 вольт можливе лише максимум 15 Вт. Неправильного кабелю достатньо, щоб обмежити зарядку лише 3 амперами. Потрібен активний кабель USB з електронними компонентами в роз’ємі USB-C, щоб можна було пропустити більше 3 ампер.
Що ще гірше, специфікація USB-PD містить деякі прогалини, саме тому на практиці може траплятися дивна поведінка. Специфікація не визначає, як повинні поводитися пристрої, коли попит та електроенергія не збігаються. Наприклад, незрозуміло, як поводиться ноутбук при спробі зарядити його простим блоком живлення для смартфона.
Крім того, залишається відкритим, що відбувається, якщо в мережі USB є більше одного джерела напруги. Наприклад два джерела живлення. Можливо, один із блоків живлення ігнорується. Однак інтелектуальне виявлення також було б можливим щодо того, чи виймається блок живлення, а потім енергія подається з другого блоку живлення. Припускаючи відповідну функцію зарядки, обидва джерела живлення можна використовувати паралельно. Рішення залишається за виробниками.
Одним обмеженням може бути верхня межа 100 Вт. Наприклад, коли ігровий ноутбук потребує більше енергії. На практиці тоді ці пристрої потребують окремого введення потужності. Навіть якщо ці пристрої мають роз'єми USB-C.
На жаль, ці суперечності означають, що виробники повинні розширювати специфікацію за власною ініціативою та використовувати власні рішення.