2019年6月16日 星期日

USB 供電

USB 規範有幾個面向,包括連接器傳輸速度等,這裡談供電。

USB 線兩端分為主機端和週邊端,主機端用 Type A 插頭插入 Type A 插座,週邊端用 Type B 插頭插入 Type B 插座。通常主機提供 Type A 插座;而週邊可以跟 USB 線整合,看到就是 Type A 插頭,方便插入主機。插頭和插座依大小分成標準、mini、和 micro。mini 和 micro 有 Type AB 插座,可插 Type A 或 Type B 插頭,由插頭內的 ID 訊號讓裝置決定是要當作主機或週邊。

主機負責供電和主管通訊。後續兩端可經由 Host Negotiation Protocol 協調交換主機和週邊的角色。

原本標準 USB 提供的電源電壓是 5V,連接的裝置一開始使用 low-power 模式,使用最多 100 mA 的 1 單位電流 (在 SuperSpeed 設備 150 mA)。然後週邊如果要更多電流,需要要求所需的電流切到 high-power 模式,最多 5 單位 500mA,計 2.5W (SuperSpeed 有 6 單位的 900 mA,計 4.5 W)。Host controller 可以關掉一些裝置來避免過載。

由 USB Bus 供電的 USB hub,本身是屬於消耗 high-power 的裝置,對外只能提供 low-power 埠。USB hub 有外接電源時,可提供 high-power 埠,自己可維持為 low-power 裝置。

USB 電源,一般 5V/500mA 只有 2.5 W,用來充電太慢,有些裝置 (譬喻 USB 硬碟) 也需要更大電流。於是有兩個 USB Y 接達到 5W,或用其它方式判斷提供更大電流,但這些不是標準的方式。

USB 標準的 Battery Charging (BC)

BC 定義兩種充電 USB 埠 -- CDP (Charging Downstream Port) 和 DCP (Dedicated Charging Port),其 D+ 和 D- 間的電阻少於 200Ω,一開始就不限制,可直接提供 0.5 A 到 1.5 A 的電流,達 7.5 W。原本需要先 low-power 模式再 high-power 模式的 USB 埠稱為 SDP (Standard Downstream Port)。

由於大電流會干擾 Hi-speed 的傳輸速度,BC 1.1 限制 Hi-speed 時的電流。BC 1.2 ....

連接器最大電流最大瓦數
USB 1.x/2.05V/500mA2.5W
BC1.2: 5V/1.5A7.5W
USB 3.05V/900mA4.5W
USB-C5V/1.5A 預設, 5V/3A max15W
USB PD: 5V/9V/12V@3A max, 20V@5A max
USB PD 3.0 with PPS: 3V ~ 20V, 5A max
註:5A 需要有電子標籤的 USB-C 線,不然最高 3A。
100W
(60W)

USB 標準的 Power Delivery (PD) (有電池背景圖案)

USB PD rev. 1 (俗稱 PD 1.0)

使用 Type A/B 連接器支援三種電壓 5V、12V、20V,最高供電 100W,並向下相容 USB 3.0/2.0、BC 1.2/1.1/1.0,訂有 5 種 Profile。透過 VBUS 傳 24 MHz BFSK 訊號溝通,並可決定供電方向。
 
Profile5V12V20V
12.0A, 10WN/AN/A
21.5A, 18W
33.0A, 36W
43.0A, 60W
55.0A, 60W5.0A, 100W
註:Profile 5 用於標準 A/B 或 Type-C 連接頭,microUSB 不支援。

USB PD rev. 2 (俗稱 PD 2.0)

和 USB 3.1 一起發表,同時有了 Type C,捨棄 5 種 profile 方式,改用預先定義的 5V、9V、15V 和 20V 的 4 種電壓。

USB PD rev. 3 (俗稱 PD 3.0)

捨棄了 BFSK,並增加支援 PPS (Programmable Power Supply) 以 20 mV 調整電壓,可對電池進行高效直充,電壓可以低達 3V。開始相容各家快充協定,可支援 QC 4.0 快充。

Type C 才有的 CC 訊號用來決定是主機端、還是週邊端,一開始由兩端設備對 CC 的接線決定,後續可溝通分別決定資料通訊為下行埠 (Downstream Facing Port, DFP,主機端) 或上行埠 (Upstream Facing Port, UFP,週邊端),以及電源是供電端 (Source)、還是負載端 (Sink)。

Type C 的 VBUS 一開始是不供電的,先由 CC 的電壓決定的供電能力後才提供 5V。電壓約 0.41V 使用預設的 USB 2.0 500mA 或 USB 3.0 900mA,約 0.92V 對應的最大電流是1.5A,約 1.68V 對應的最大電流是 3A。週邊的 Rd 是 5.1kΩ,主機的 Rp 可能接到 5V 或 3.3V 而有不同電阻值,或者採用 current source 決定電壓。

引入 PD 協定後,Type-C VBUS 電壓可以增加到最高20V:
  1. 負載端跟供電端申請供電能力資料。
  2. 供電端提供供電能力資料。
  3. 負載端從供電能力資料中選出適當的電源配置參數發出請求。
  4. 供電端接受請求並按照定義好的電壓提升速度來更改 VBUS 電壓。此時負載端的電流消耗會保持盡可能地小。
  5. VBUS 電壓達到最後數值穩定以後,供電端發送出一個電源準備好信號。此時負載端可以增加其電流消耗。
當負載端想要 VBUS 電壓降低,在電壓下降期間,供電端會啟動一個分流電路來主動放電使電壓快速降低。達到額定值穩定以後,送出一個電源準備好信號。

CC 訊號的 PD 通訊使用 BMC (Bi-phase Mark Code,資料 1 需要有一次高低電壓切換,資料 0 則是固定電壓)。每個資料包都含有 Preamble、SOP (Start of Packet)、Header、Data、CRC 和 EOC (End of Packet)。

使用普通電纜最大電流是 3A,即 60W。如果使用了含電子標籤的電纜,20V 可到 5A,即 100W。

Type C 電纜要有電子標籤來支援 USB 3.1 超速資料傳輸或承載超過 3A 電流,另一條 CC 線會有比 Rd 5.1kΩ 小的下拉電阻 Ra 1kΩ,讓供電端知道此線作為 Vconn 提供 5V 給電纜中的 IC。其後的 PD 通訊中將包含供電端和電子標籤之間的通訊 (SOP’ 或 SOP”) 以及供電端和負載端之間的通訊 (SOP)。

Qualcomm 的 Quick Charge

Qualcomm CPU 手機專有的快速充電技術 Quick Charge,由 V+ 和 V- 電壓決定 VBUS 電壓:
V+V-VBUS
0.6VGND5
3.3V0.6V9
0.6V3.3V12
3.3V3.3V20

其它

  • Apple
    • D+ = D- = 2.0V:0.5A (電腦)
    • D+ = 2.0V, D- = 2.7V:1.0A (iPhone 充電器)
    • D+ = 2.7V, D- = 2.0V:1.5A (iPad 充電器)
    • D+ = D- = 2.7V:2.4A (2.4 充電器)
  • 很多是 D+、D- 腳位短路
  • 符合 USB Charging 規範的充電器輸出 5V,D+ 和 D- 間的電阻決定可提供的最大電流,越小電流越大,電阻 0 表示沒限制。
  • 其它:三星、中國 YD/T1591 - 2009
過電流保護?

產品

行動電源:線的主機端大多是 USB-A 的,要過渡到 USB-C,最好有 USB-A 和 USB-C 雙輸出。輸入最好是 USB-C 的,能用週邊端是 USB-C 的線,逐步淘汰 micro USB。

手機供電

市電:線的主機端大多是 USB-A 的,要過渡到 USB-C,最好有 USB-A 和 USB-C 雙輸出。

  • Innergie PowerGear 90:筆電輸出
  • Innergie PowerGear 65 Pro:USB-A 5V 和 19V 筆電輸出, $1490
  • Innergie PowerGear 65:筆電輸出
  • Innergie 65U:筆電輸出
  • Innergie 65W:USB-C 頭輸出
  • Innergie PowerGear 60C:USB-C 5/9/12/15/20V 輸出, 92%, 60x30x30, 85g, $2490,+ MagiCable 150 $3170
  • Innergie C6 (GaN):USB-C 5/9/12/15/20V 3A 輸出
  • GENKI Dock:30W USB-C PD 3.0 5/9/15V 和 USB-A 3.1 輸出的充電器,採用氮化鎵 GaN 技術,USB-C 可轉為 USB-A 和 HDMI。
  • SlimQ:USB-A 5/9/12V 和 USB-C 5/9/12/15/20V 輸出, GaN 94% (88%), 65x33x28, 91g, $1xxx

車充:線的主機端大多是 USB-A 的,要過渡到 USB-C,最好有 USB-A 和 USB-C 雙輸出。

  • OMNIA C1 Pro 83W $699 保護?
    • USB-C 65W PD 5/9/12/15V 3A, PPS
    • USB-A 18W QC3.0
  • PowerFalcon x Aliand
    • USB-C:PD 3.0 30W(5V/3A, 9V/3A, 12V/2.25A, 15V/2A, 20V/1.5A) (PD3.0/Apple Mode/QC2.0/QC3.0/AFC/FCP)
    • USB-A:QC 3.0 18W(3.6-6V/3A, 6-9V/2A, 9-12V/1.5A)(Apple Mode/QC2.0/QC3.0/AFC/FCP)
  • Baseus倍思45W大功率數顯智能車充BS-C20CTW LED數顯,輸入 24V 才能輸出 15V/20V
    • USB-C:5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V/3A、20V/2.25A
    • USB-A:4.5V/5A、5V/4.5A、9V/3A、12V/3A、20V/2.25A
  • Innergie PowerJoy 30D 車充:USB-A 和 USB-C 5/9V 輸出
  • PowerFalcon PS36WQCA3-CUB USB Type-C/PD,QC3 USB Type-A/QC3,各為 18W (3.6-6.5V/3A,6.5-9V/2A,9-12V/1.5A),充電狀態指示
  • PS36WQCA3-CUB-01 有 Type-C PD
  • Nokia P6105 有 20V 輸出
  • :Baseus/倍思 TZCCZM0G 160W

觸發器或誘騙器:控制輸出電壓。最好是 USB-C 通用的。

USB 電錶

  • YZXSTUDIO ZY1280
    • 上一代 ZY1276
    • https://wolflsi.pixnet.net/blog/post/67046421
  • Kotomi Pre (含觸發等功能)
    • 具備上一代 Kotomi Pro 的所有特點及功能
    • https://wolflsi.pixnet.net/blog/post/66243654
  • POWER-Z KT001
  • POWER-Z KM001C
  • KM003C
  • KM002C-Lite:PD3.1, 50V 6A, ...

非 USB 充電器轉成 USB

  • C-Force AnyWatt:電源輸入 16-21VDC @3A min, PD 3.0 輸出:5V/3A、9V/3A、12V/3A、15V/3A、20V/2.25A (輸入 >= 20V), PPS 輸出:3-12V/3A
  • SEKC SCC-PD7242W 車充:電源輸入 12/24VDC, PD 輸出:5V/3A、9V/2.7A、12V/2A (max. 24W), QC3.0 輸出:3.6V-6.5V/3A, 6.5V-9V/2A, 9V-12V/1.5A (max. 18W)
  • AC 轉

 USB 升降壓

  • XY-UP
  • XY-LUP

參考

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/USB_hardware#Power
  2. https://www.richtek.com/Design Support/Technical Document/AN056?sc_lang=zh-TW
  3. https://github.com/Ralim/ts100/issues/24
  4. https://www.digitaltrends.com/mobile/how-does-fast-charging-work
  5. Power Over Ethernet 

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