Rozpoznawanie prądowej obciążalności gniazda USB

Rys. 1. Wyprowadzenia złącza USB przystosowane do detekcji połączeń ze stykami danych (Data Contact Detection, DCD)

Port USB jest przykładem normy znakomitej i wszechstronnej. Przewidziany początkowo jako znormalizowane gniazdo komunikacyjne macierzystego komputera, wyspecjalizował się do współdziałania z elektronicznymi urządzeniami "On the Go" (USB OTG), zarówno gdy działają w roli hosta, jak i urządzenia peryferyjnego.

Specyfikacja USB wyewoluowała następnie wprowadzeniem USB Charging Specification opisującej sposób wykorzystania USB do zasilania urządzeń, oznaczanej BC 1.2, do obsługi ogromnej liczby telefonów komórkowych i rozmaitych urządzeń przenośnych, wyposażonych w port USB. Norma USB podlega obecnie kolejnej ewolucji, jako USB 3.1 oraz nowatorskie złącze symetryczne USB Typ C. Te zastosowania zapewniły USB ogromne rozpowszechnienie wśród urządzeń zasilanych z hosta.

W czerwcu 2009 Komisja Europejska zaapelowała o powszechne przyjęcie zgodnego z BC1.2 złącza mikro USB, wspólnego dla danych i zasilania, dla wszystkich telefonów komórkowych. W reakcji na to najwięksi producenci tych telefonów, w tym Apple, LG, Samsung i Sony Ericsson, wydali wyrażające wspólną zgodność z tym wnioskiem intencyjne memorandum of understanding (MoU).

Obejmująca ponad 220 krajów GSM Association, organizator Mobile World Congress, również wyraziła intencję normalizacji złącza USB do ładowarek telefonów komórkowych. A Korean Telecommunication Technology Association wraz z chińskim Ministerstwem Przemysłu i Technologii Informacyjnej opublikowały wspólne wymagania techniczne dla normalizacji ładowania akumulatorów telefonów komórkowych.

Nawet specjalna agencja Narodów Zjednoczonych, Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna, opublikowała zalecenia ITU-T L.1000 przyjęcia powszechnego modelu ładowarki USB, opartego na propozycjach GSMA, EU, także chińskich.

Po uaktualnionym o elementy zasilania USB2.0 w roku 2013, pojawiło się USB3.1 i nowe złącze USB Typ C w roku 20014, a postępująca normalizacja tego złącza utrwala standard USB.

Detekcja obciążalności portu USB w BC1.2

Rys. 2. Procedura testowania obciążalności BC1.2

Komisje normalizacyjne i agencje rządowe wybierają złącza USB i protokoły objęte przez BC1.2, gdyż zapewniają one wszystkim urządzeniom stosującym USB interoperatywność, optymalne parametry i bezpieczeństwo. Specyfikacje te definiują moc, jaka z poszczególnych rodzajów portów może być pobierana przez urządzenia przenośne i jak tę informację mogą one uzyskiwać.

Dzięki temu producenci takich urządzeń mogą im zapewnić kompatybilność z każdym rodzajem portu USB, nie dopuszczając do ryzyka przeciążenia. Znając dostarczane przez port USB napięcie i jego wydajność prądową, mogą swoje urządzenia optymalnie do niego przystosować.

Korzystanie z maksymalnego dopuszczalnego prądu pozwala na maksymalne skrócenie czasu ładowania akumulatora. Zatem detektor obciążalności gniazda USB powinien się znaleźć w każdym zasilanym z akumulatora przenośnym urządzeniu, wyposażonym w to złącze.

Specyfikacja BC1.2 przewiduje trzy rodzaje portów USB:

• Standard Downstream Port, SDP, czyli zwykły port komunikacyjny USB2.0, pozwalający dołączonemu urządzeniu peryferyjnemu na pobieranie prądu zasilania o natężeniu do 100 mA. Natężenie to może być, ale nie zawsze jest, negocjowalne do 500 mA.
• Dedicated Charging Port, DCP, czyli port USB bez opcji komunikacyjnej, wyspecjalizowany do ładowania akumulatora, dopuszczający pobieranie prądu o wyższym od 500 mA, ale nienegocjowalnym natężeniu.
• Charging Downstream Port, CDP, który służy zarówno do komunikacji, jak i do ładowania dołączonych urządzeń prądem o dużym natężeniu. Zawiera obwód detekcyjny, uruchamiany w fazie detekcji obciążalności.
• Niektórzy producenci urządzeń elektronicznych konstruują własne układy detekcji obciążalności, wykraczające poza specyfikacje rodzajów portów USB. Wprowadzają one do techniki detekcyjnej dodatkowe fazy. Nie należy ich przeoczyć.

Protokół rozpoznawania obciążalności gniazda USB według specyfikacji BC1.2 składa się z pięciu kroków:

• Testowanie wyprowadzeń V_BUS. Dla zapewnienia właściwej sekwencji przyłączania urządzeń do portu USB, wyprowadzenia V_BUS i GND we wtyczce wykonuje się nieco dłuższe od wyprowadzeń D+ i D-. Dzięki temu kontakt z nimi jest wcześniejszy, co pokazuje rysunek 1. Zatem urządzenie przed rozpoczęciem detekcji wykrywa napięcie V_BUS.
• Testowanie wyprowadzeń z danymi D+ i D- (Data Contact Detection, DCD). Gdy napięcie na V_BUS jest potwierdzone, urządzenie przenośne musi się upewnić, czy wyprowadzenia z danymi również są aktywne, aby detekcja została potwierdzona. Urządzenie mogłoby przy przedwczesnym kontakcie ze stykami z danymi błędnie rozpoznać obciążalność. W celu dokonania DCD urządzenie musi do D+ przyłączyć źródło prądowe 7 do 13 mA (w odniesieniu do napięcia +3,3 V) i sprawdzić na nim napięcie. Ten zakres prądowy został tak dobrany, aby zostały dotrzymane poprawne tolerancje poziomów logicznych wszystkich dopuszczalnych w specyfikacji napięć i rezystancji. Jeśli obwód D+ jest rozwarty, napięcie okaże się logicznie wysokie. Jeśli obwód D+ jest zamknięty, napięcie będzie logicznie niskie, niezależnie od rodzaju portu. Jeśli w ciągu 1 sekundy nie zostanie stwierdzony żaden kontakt z wyprowadzeniem danych, przyłączone urządzenie uzna, że kontaktuje się z SDP.
• Wstępne testowanie obciążalności. W tej fazie przyłączone urządzenie ma odróżnić port o wydajności prądowej wyższej od 500 mA, oznaczony CDP lub DCP, od portu SDP, o wydajności niższej od 500 mA. Po odłączeniu źródła prądowego urządzenie musi do D+ przyłączyć napięcie 0,5 do 0,7 V, a do D- prądowe źródło pobierające 25 do 175 mA. Jeśli ma do czynienia z portem DCP lub CDP, na D- pojawi się napięcie 0,5 do 0,7 V, a jeśli spadnie do 0, będzie to port SDP. Wtedy urządzenie włącza komparator, który sprawdza, czy napięcie na D- mieści się w zakresie 0,25 do 0,4 V. Jeśli okaże się ono wyższe od 0,4 V, ale niższe od 0,8 V, górnej granicy poziomu niskiego, urządzenie uzna gniazdo USB za port obciążalny.
• Wtórne testowanie obciążalności. Po odłączeniu źródła napięcia i źródła poboru prądowego, przyłączone urządzenie musi jeszcze rozróżnić, czy port jest rodzaju CDP, czy DCP. W tym celu wykonuje poprzedni test w sposób odwrotny. Do D- przyłącza napięcie 0,5 do 0,7 V, a prądowe źródło pobierające do D+. Jeśli pojawi się na nim napięcie 0,5 do 0,7 V, to port jest DCP. Jeśli pojawi się 0 V, to port jest CDP.
• Ograniczenie prądu obciążenia. Ponieważ CDP pozwala jednym kablem przesyłać dane i równocześnie ładować akumulator przyłączonego urządzenia, trzeba pamiętać, że wspólne uziemienie hosta i urządzenia nie toleruje większego od 375 mV spadku napięcia.

Ładowarki różnych producentów, niezgodne z BC2.1, mogą się między sobą różnić. Wobec zasilanych urządzeń identyfikują się one często za pośrednictwem napięcia, ustalonego rezystancyjnym dzielnikiem pomiędzy V_BUS a masą. W zależności od tej różnicy układ testowania obciążenia może wymagać dodatkowych obwodów detekcji napięć na D+ i D- , które różnią producentów.

Technika testowania obciążalności

Rys. 3. Schemat blokowy detektora obciążalności MAX14636

Układ do testowania obciążalności jest chipem, realizującym liczne możliwości i wymagania specyfikacji BC1.2. Można je wszystkie zrealizować w układzie z komponentów dyskretnych. Ale liczba elementów, powierzchnia płytki i czas potrzebny do zapewnienia, aby ten układ działał sprawnie, zwiększą się znacznie.

Dodanie wyspecyfikowanego chipu do testowania obciążalności też zwiększa powierzchnię płytki, ale jego producenci łączą z nim w jednej obudowie inne jeszcze dodatkowe i pożądane funkcje. W rezultacie układy testowania obciążalności to układy o dużym stopniu scalenia, z licznymi dodatkowymi funkcjami, jak przełączanie audio USB/UART, szeregowe interfejsy kontrolne, ochrona przepięciowa (OVP), wspieranie USB OTG, wspomaganie ładowania akumulatorów litowych, czy nawet numerowanie portów USB.

Producenci urządzeń, poszukujący układów detekcyjnych o minimalnej liczbie komponentów i małej powierzchni montażowej, mogą wypróbować układy takie jak MAX14576, MAX14636, MAX14637. Są one zasilane bezpośrednio z V_BUS USB, nie wymagają więc osobnego zasilania. Zawierają wewnętrzne przełączniki SPST, rozwarte w trakcie testowania obciążalności, a zwarte w trakcie przesyłania danych przez USB.

Każdy z tych układów ma otwarte wejście-wyjście z otwartym drenem, gdy jest dozwolone ładowanie, a status przesyłki danych odłączony. Niektóre z nich oprócz systemu rozpoznania portu BC1.2 mają wbudowany system rozpoznawania urządzeń firmy Apple. Na rysunku 3 pokazano przykład detektora obsługującego protokół detekcji. Od głównego procesora nie wymaga on złożonej obsługi ani większych modyfikacji w projektowanym układzie.

W ciągu kilku ostatnich lat smartfony wzięły świat szturmem. Jedną z głównych sił w tym ataku jest ich kształt. Przybywa w nich wiele funkcji i właściwości, a rozmiary maleją. Każda innowacja musi być zatem starannie przemyślana, aby mogła zmieścić się w coraz cieńszej obudowie. Przykładowo, w telefonie komórkowym jedno złącze stosuje się do wszystkiego. Służy ono do ładowania, łączenia z pecetem, łączenia z innymi akcesoriami, do słuchania muzyki. Dla kompaktowej realizacji tych wymagań projektanci systemu mogą użyć wyspecjalizowanego chipu detekcji obciążalności, np. MAX14656 (rys. 4).

Ten układ scalony automatycznie odróżnia poszczególne rodzaje portów BC2.1, a także zapewnia detekcję większości specyficznych ładowarek Apple (np. 500 mA, 1 A, 2,1 A). Zawiera przełączniki DPDT, pozwalające przemiennie używać zarówno linii D+ i D-, jak i szybkiego transceivera USB, wyjścia audio, a nawet wewnętrznego UART-a.

Za pomocą interfejsu I²C wbudowany procesor rozpoznaje przyłączoną ładowarkę i konfiguruje wewnętrzne połączenia do właściwego dla niej trybu ładowania. Umożliwia wbudowanie OVP do wyprowadzenia V_BUS czy ochronę linii danych przed ESD. Układ zajmuje powierzchnię tylko 1,65×1,65 mm, co go predestynuje do stosowania w ograniczonych objętościowo urządzeniach.

Przyszłość przenośnych układów elektronicznych

Rys. 4. Zastosowanie detektora obciążalności MAX14656 w smartfonie

Technika detekcji obciążalności stała się wszechstronna, ponieważ podstawowe funkcje detekcji mogą być łączone z rozmaitymi funkcjami dodatkowymi, ułatwiając producentom tworzenie kompaktowych przenośnych układów elektronicznych. Są również rozwiązania łączące detekcję obciążalności z obsługą ładowania akumulatorów litowych czy numeracją portów USB. Najnowsze chipy detekcji obciążalności autonomicznie monitorują cykle ładowania akumulatorów zgodnie z BC1.2, nie obciążając wbudowanego procesora ręcznym uzgadnianiem całkowitego natężenia pobieranego prądu z czasem podanym w specyfikacji.

Połączenie detekcji obciążalności z funkcją ładowania akumulatora obejmuje inteligentną jego kontrolę. Oznacza to automatyczne przełączanie zasilania z akumulatora na zasilanie z ładowarki, jeśli jest przyłączona. Jest wówczas możliwe równoczesne ładowanie akumulatora przy całkowitym zaspokajaniu prądowych potrzeb urządzenia. Takie układy zapewniają termiczną stabilizację prądu, zabezpieczając przed nadmiernym wzrostem temperatury. Uwalnia to projektanta od troski o zasilanie.

Tymczasem specyfikacja USB BC1.2 nieustannie wspomaga przemysł elektroniczny i projektantów. Dostępna obecnie wielka liczba ładowarek zgodnych z BC1.2 będzie nadal rosła. Z tego tylko powodu wyposażenie ładowarki w złącze USB jest bardzo atrakcyjne. Zgodne z BC1.2 złącze t o wraz z chipem detektora obciążalności jest w urządzeniu przenośnym komponentem bardzo atrakcyjnym i uniwersalnym. (KKP)