Wie funktionieren USB-Ladeanschlüsse und „intelligente“ Ladeanschlüsse (z. B. Anker's PowerIQ)?

Softwareentwickler mit einem hobbyistischen Verständnis von EE hier.

Ich habe in letzter Zeit viele Behauptungen von Herstellern von USB-Akkus bemerkt, dass ihre Anschlüsse "intelligent" sind und "das Gerät identifizieren", um "den maximalen Strom für das Gerät zu liefern". Ein flüchtiger Blick in die Angelegenheit scheint zu implizieren, dass dies keine vollständige Marketingsprache ist, und tatsächlich ist etwas Komplizierteres im Gange.

Ohne die subtile Chemie von Lithium-Ionen-Batterien oder die Eigenschaften von Ladereglern zu verstehen, würde ich vermuten, dass Sie, um eine Batterie so schnell wie möglich aufzuladen, so viel Strom wie möglich ziehen und ihn nur auf die Batteriespezifikationen beschränken würden. Dies darf nicht der Fall sein, da dokumentiert ist, dass Geräte ihre Ladung in einigen Fällen auf 1A beschränken, wenn sie sicherlich mehr ziehen könnten. Warum ist das?

Wenn die Stromaufnahme so gesteuert wird, was ist dann mit diesen intelligenten Anschlüssen los, damit das Gerät mehr Strom ziehen kann? Auf einer Produktseite für einen Anker-Akku wird angegeben, dass die Anschlüsse das Gerät identifizieren und "seine einzigartige Ladesprache sprechen" (diese Formulierung macht mir übel). Vielleicht sollte ich auf diese Formulierung nicht so scharf reagieren - werden die USB-Datenleitungen tatsächlich verwendet, um ein Lademuster auszuhandeln?

Vielen Dank!

Es gibt zwei Ergänzungen zur USB-Spezifikation, die einen Strom von mehr als 500 mA zulassen.

USB-Akku-Ladespezifikation 1.1 . Ermöglicht bis zu 1,3 A.

USB-Akku-Ladespezifikation 1.2 (und dies ). Ermöglicht bis zu 5A.

Zusammenfassung:

• USB 2.0 - BCS 1.1: 1.3A Strom, keine Datenübertragung.
• USB 2.0 - BCS 1.2: 5A Strom mit Daten.
• USB 3.0 - BCS 1.2: 5A Strombelastbarkeit, jedoch auf 1,5A begrenzt, keine Daten.

Mehr finden Sie hier

Bearbeiten: Manchmal folgt der Hersteller nicht dem Standard und verwendet etwas Eigenes. Manchmal wäre das "Etwas Eigenes", die Datenpins einfach in der Luft oder bei einer bestimmten Spannung hängen zu lassen und dann eine beliebige Strommenge bereitzustellen ...

In der Praxis verwenden "intelligente" Ladegeräte einen speziellen Chip, den sogenannten Dedicated Charge Port Controller . Ein DCP-Controller kann sich wie ein anderes Ladegerät verhalten und wählt den Modus aus, der am besten zu funktionieren scheint.

Das liegt daran, dass normale ("dumme") Ladegeräte die Datenverbindungen von USB verwenden, um auf statische, analoge Weise zu signalisieren, wozu sie in der Lage sind. "Intelligente" Ladegeräte können dasselbe tun, allerdings auf weniger statische Weise: Sie beobachten das Verhalten des Ladegeräts und ziehen daraus das ideale Setup ab, das sie dann emulieren können.

Beispiele für dedizierte Ladeanschluss-Controller- Chips sind der 'USB Charging Port Controller' der Serie TPS2510 von Texas Instruments , der 'USB Host Charger Identification / Adapter Emulator' der Serie Maxim MAX14600 und der 'USB Fast Charging Port Controller' von Norelsys NS3601 .

Ein Bild aus dem Datenblatt TPS2513a (Copyright TI):

Ein ähnlicher, der MAX14600 (copyright Maxim):

Sie können sehen, dass die USB-Datenleitungen ('DP' und 'DM') über mehrere konfigurierbare Ressourcen verfügen, die von einer 'intelligenten' Logik gesteuert werden.

Eine Erklärung

Verschiedene aufladbare Geräte erfordern verschiedene Arten von Ladegeräten. Dies liegt zum einen daran, dass in der USB-Spezifikation das Ladeverhalten ursprünglich nicht festgelegt war, und zum anderen daran, dass einige Hersteller möchten, dass ihre Geräte nur am schnellsten über ihre eigenen Netzstecker aufgeladen werden. Außerdem darf ein Gerät nicht mehr Strom ziehen, als es für zulässig gehalten wird, um die Gefahr einer Überhitzung einer falsch ausgelegten Stromquelle zu vermeiden.

Hinweis: In der folgenden Erklärung werden die Technologien USB3, USB Power Delivery und Qualcomm Quick Charge ignoriert, was die Sache noch komplizierter macht (z. B. können Sie die Spannung auf über 5 Volt erhöhen).

Diese Arten von USB-Buchsen können unterschieden werden:

• Normaler USB-Anschluss (wie bei einem PC). Dies wird SDP (Standard Downstream Port) genannt. Ein SDP liefert bis zu 100 mA und kann diese Grenze auf bis zu 500 mA erhöhen, wenn das angeschlossene Gerät dies wünscht. und der USB-Host zustimmt, dass dies möglich und zulässig ist.
  • In der Praxis liefern fast alle SDPs auch ohne ordnungsgemäße Kommunikation 500 mA. USB-Geräte wie kleine Lüfter und Becherheizungen kommunizieren nicht, benötigen jedoch mehr als 100 mA.
• USB-Anschluss mit Kommunikationsfunktion und zusätzlicher Ladefunktion. Das nennt man CDP (Charging Downstream Port) bezeichnet. Dieser kann bis zu 1500mA liefern. Nicht kommunizierende nachgeschaltete Geräte können dies dem Ladegerät mitteilen, indem sie die USB-Datenleitungen D + und D- mit einem Widerstand oder einem Kurzschluss verbinden.
• Der chinesische Telekommunikations-Industriestandard YD / T 1591-2009 geht der CDP-Spezifikation voraus und hat sie inspiriert. Es gibt einen Kurzschluss zwischen D + und D- an.
• USB-Anschluss ohne Kommunikationsmöglichkeit (z. B. in einer Steckdose). Dies wird als DCP : Dedicated Charging Port bezeichnet. Es ist im Grunde ein CDP ohne die Möglichkeit, mit dem USB-Host (PC) zu kommunizieren.
• DCP-Ports, die nicht den DCP-Spezifikationen entsprechen (ab USB Battery Charging Spezifikation Version 1.2). Diese Wandstecker haben unterschiedliche Anordnungen von Widerständen, die an die Datenleitungen angeschlossen sind, was zu festen Spannungen führt, die vom Ladegerät gelesen werden können. Die Liste der "erkennbaren" Spannungen ist sehr lang, dies ist nur ein Auszug:
  • Apple 0,5 A (D + bei 2 V, D- bei 2 V)
  • Apple 1A (2 V / -2,8 V)
  • Apple 2.1A (2,7 V / 2,0 V)
  • Apple 2.4 A (2,7 V / 2,0 V)
  • Sony (3,3 V / 3,3 V)
  • Viele (inkl. Samsung) 2A (1,2 V / 1,2 V)

"Intelligente" Ladegeräte - dh die darin enthaltenen "DCP-Controller-Chips" - können einen Standard-DCP-Port mit unterschiedlichen Widerstandswerten und auch mehrere nicht standardmäßige DCP-Spannungen emulieren.

Die geheime Soße

Die Chiphersteller beschreiben nicht wirklich, wie ihre "Erkennungs" -Logik funktioniert, aber sie haben nur die Möglichkeit zu überwachen, was das Ladegerät auf den D + und D- Leitungen tut, und den Strom zu betrachten, der gezogen wird.

Dies erfordert zweifellos viel Erprobung und Irrtum, und der Algorithmus wird wahrscheinlich als streng gehütetes Geheimnis gehütet.

Eine Technik, die verwendet werden kann, besteht darin, die emulierten Zustände zu durchlaufen und die Menge des entnommenen Stroms zu notieren. Der Staat mit der höchsten Stromaufnahme ist dann der 'Beste' und bleibt aktiv.

Randnotiz

Lassen Sie sich nicht von der Vermarktung der Hersteller von Ladegeräten verwirren, die behaupten, dass ein Ladegerät " den maximalen Strom für das Gerät liefert ". Eine USB-Buchse ist eine Spannungsquelle . es regelt nur die Spannung und es ist das Ladegerät, das entscheidet, wie viel Strom es während des Ladevorgangs aufnimmt.

Auf keinen Fall kann ein Ladegerät einen Strom in ein Gerät "zwingen", das ihn nicht akzeptiert, zumindest nicht, indem es unter dem sicheren Maximum von 5,1 Volt bleibt.

Das einzige, was passiert, ist ein Trick, der das Ladegerät glauben lässt, dass es mit dem leistungsfähigsten, am besten geeigneten und am besten kompatiblen Ladegerät verbunden ist, das es sich vorstellen kann.

Weiterführende Links

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB
• http://lygte-info.dk/info/USBinfo%20UK.html
• http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2514a-q1.pdf
• https://datasheets.maximintegrated.com/de/ds/MAX14600-MAX14618.pdf
• http://www.norelsys.com/German/chanpinzhongxin/SMARTPOWER/2015/0601/123.html

Ich bin auch nur ein Softwareentwickler, aber ein Teil meiner Arbeit besteht darin, die USB-Spezifikationsdokumente zu lesen. Folgendes weiß ich:

Es gibt zwei offizielle Protokolle für die Stromversorgung über USB. Das erste, BCD, wurde 2007 veröffentlicht und 2010 aktualisiert. Mithilfe verschiedener Datenleitungstricks wird ermittelt, wie viel Strom das nachgeschaltete Gerät verbrauchen darf. Dies muss kein vollständiger USB-Handshake sein. Ein spezielles Ladegerät identifiziert sich beispielsweise als solches, indem es lediglich D + mit D- kurzschließt. Das bedeutet, dass das nachgeschaltete Gerät bis zu dem maximalen Ladestrom sinken kann, von dem ich glaube, dass er 1,5 A beträgt. Sie können die BCD-Spezifikation hier lesen .

Das neuere Protokoll ist PD (Power Delivery), das als Teil der Haupt- USB-Spezifikation vertrieben wird . PD ist wirklich interessant. Es ermöglicht den Austausch von Leistungsinformationen über die Spannungsleitungen und nicht über die Datenleitungen und unterstützt bis zu 100 W (20 V / 5 A). Bei Hochleistungsanwendungen muss das Kabel jedoch elektronisch gekennzeichnet werden, um anzuzeigen, dass die Verkabelung Hochspannung / Hochstrom ohne Schmelzen unterstützen kann. :-) Es gibt verschiedene "Markierungen" in der Spezifikation, aber alle scheinen entweder einen Widerstand oder einen Kondensator zwischen zwei Pins im Stecker abzulegen.

Die Wahrscheinlichkeit, dass Kabel oder Ladegeräte tatsächlich die gesamte Spezifikation korrekt implementieren, scheint jedoch recht gering zu sein. Sie können die Exploits von Benson Leung auf Amazon.com verfolgen, um zu sehen, wie viele Möglichkeiten Hersteller gefunden haben, dies zu vermasseln.

Ich weiß es nicht genau, aber ich halte es für sehr wahrscheinlich, dass Marketinglabels wie "PowerIQ" Ladegeräte anzeigen, die versuchen, mit so vielen Geräten und Kabeln wie möglich kompatibel zu sein, auch mit solchen, die hoffnungslos vom Standard abweichen. Leider kann man nicht genau sagen, wie nahe ein bestimmtes Ladegerät diesem Ideal kommt.

(altes Thema, aber neue Informationen basierend auf den neuesten USB-Spezifikationen)

Wie bereits erwähnt, ermöglichen die neuen USB-Spezifikationen eine Ladespannung von mehr als 5 V, wenn das Gerät dies anfordert.

Unter der Erweiterung "USB Power Delivery" (PD) (USB PD Version 3.0, Version 1.0a) können bis zu 5 A bei 5 V, 9 V, 15 V oder 20 V für das angeschlossene Gerät bereitgestellt werden von 100W bezogen. Es gibt viele Regeln, die das "anfordernde Gerät" für diese Fälle befolgen muss.

Dies ist normalerweise für Notebooks oder andere Geräte mit höheren Zellenzahlen und / oder Betriebsspannungen der Fall. Die Kabel müssen auch für diese Bedingungen ausgelegt und spezifiziert sein.

(Ja, ich bin ein EE ... seit über 35 Jahren)

Ich teile Ihre Übelkeit in dieser Sprache, stimme jedoch zu, dass hinter dieser Angelegenheit wahrscheinlich etwas Wahres steckt. USB-Geräte deklarieren sich anhand der Hersteller-, Produkt- und Geräte-IDs, sodass der Host erkennen und entsprechend behandeln kann (z. B. den entsprechenden Treiber finden). Darüber hinaus bin ich kein Experte für Akkus, aber ich war exponiert genug, um zu wissen, dass Li-Ionen-Akkus seltsame Ladeanforderungen haben, um eine Überhitzung zu vermeiden. Es ist nicht unangemessen zu glauben, dass ein USB-Produkt ein optimaleres Lademuster aushandeln könnte, wie hier beschrieben, da es mit einem maßgeschneiderten Treiber oder Produkt am anderen Ende verbunden ist.

Ein Beispiel für ein Li-Ionen-Lademuster, das ich gesehen habe, ist ein konstanter Strom, bis die Batteriespannung 4,0 V erreicht, gefolgt von einer konstanten Spannung, bis die Batterie 4,2 V erreicht. Möglicherweise haben verschiedene Batterien unterschiedliche Muster (ich bin wiederum kein Batteriefachmann).

[...] da ist tatsächlich etwas komplizierteres los.

Ja. Kurz gesagt, Smart Ports verwenden Hacks nicht standardisierter Lademechanismen, um optimale Ströme zu erzielen. Die verbreitete Annahme, dass alle USB-Geräte ihre Ladeprotokolle ausschließlich auf der USB-Spezifikation oder der BCS-Erweiterung basieren, ist falsch.

Viele USB-Ladegeräte verfügen nur über "dumme" schwebende Daten-Pin-Ports, die vom BCS (DCPs, Dedicated Charging Ports) beschrieben werden.

Ein Smart Port kann sich wie ein Dumb Port (DCP) verhalten oder mehrere proprietäre Ports emulieren, falls die USB / BC-Spezifikation nicht unterstützt wird oder nicht optimal ist. Diese Emulation kann in bestimmten Szenarien zusammenbrechen und Probleme verursachen, weshalb jede Marke von Smart-Charger versucht, sich in Bezug auf Zuverlässigkeit, Geschwindigkeit und Kompatibilität zu unterscheiden. Die Erstellung kann Reverse Engineering erfordern.

Im Idealfall werden keine „intelligenten“ Ladegeräte benötigt und alle Geräte verwenden denselben Ladestandard. Wenn es sich nicht um einen Host / Ladegerät handelt, erkennt das Gerät möglicherweise Folgendes:

• Laden Sie langsam auf
• Gar nicht aufladen.
• Laden Sie das Gerät mit der Standardgeschwindigkeit von USB (nicht BCS) auf (dh 5 Netzteile für ein USB-Gerät mit voller Leistung, 1 für eine Verbindung mit geringer Leistung, 5 für eine Verbindung ohne Aufzählung). Dies ist normalerweise langsamer als die max.
• Laden Sie mit der BCS-Geschwindigkeit auf, dann könnten sie bis zu 5A von einem DCP abziehen. Obwohl ich noch nie mehr als 3A gesehen habe, die für einen einzelnen Port angekündigt wurden. Dies ist möglicherweise immer noch langsamer als mit dem eigenen Ladegerät.

[...] was ist mit diesen intelligenten Anschlüssen los, damit das Gerät mehr Strom ziehen kann? [...] werden die USB-Datenleitungen tatsächlich zum Aushandeln eines Lademusters verwendet?

Das hängt davon ab, welche Ladespezifikation Sie sich ansehen. Ich glaube, Apple verwendet die Datenleitungen, aber es passiert nichts Komplexes. Sie sind nur auf 3 V eingestellt, um anzuzeigen, dass es sich um ein Apple-Ladegerät handelt.

Das DCP ist nicht der einzige vom BCS beschriebene Ladeanschluss. Einige (wenige) Geräte bevorzugen eine Aufzählung (dh die Verwendung des Daten-Pins-Handshakes) und benötigen daher einen CDP (Charging Downstream-Port), der komplexer ist, da er zusätzlich zum Aufladen eine Datenübertragung ermöglicht. Ich nehme an, ein Port, der vollständig BCS-kompatibel ist, dh zwischen CDP und DCP wechseln kann, könnte als "intelligent" angesehen werden, auch wenn er keine anderen Technologien emuliert.

Ich vermute, um einen Akku so schnell wie möglich aufzuladen, würde man so viel Strom wie möglich ziehen, [...] sicher könnten sie mehr ziehen. Warum ist das?.

Richtig, aber nur, wenn das Ladegerät ihren Spezifikationen entspricht, sonst trauen sie es wohl einfach nicht. Oder vielleicht hat es mit Wettbewerb und Patenten oder mit Algorithmen zu tun, die die Batterielebensdauer optimieren. Ich denke, das Wie ist interessanter als das Warum.

Ich bin auch kein EE. (Auch ein Software-Ingenieur mit einem gut gelesenen Verständnis der Elektronik für Bastler.)

Ich verstehe, dass die Konvention lautet, dass normale USB-Geräte nicht mehr als 500 mA aufnehmen. Alles andere verstößt gegen den USB-Standard.

"Intelligente" USB-Ladegeräte enthalten Festkörperlogik mit seriellen Kommunikationschips. Wenn Sie ein Gerät anschließen, das einen höheren Strom benötigt, sendet es eine Abfrage an das Netzteil, die den Effekt "Ich möchte 2 Ampere. Ist das in Ordnung?" Wenn es sich bei dem Netzteil um einen Dump-USB-Anschluss handelt, antwortet er überhaupt nicht, sodass das Gerät entweder nicht funktioniert oder nur die Standard-500 mA aufnimmt (und viel langsamer lädt).

Ich habe ein Samsung S5-Handy und ein Note 10.1 (Ausgabe 2014). Ich habe ein Inline-USB-Messgerät, das Spannung, Strom und mAH misst. Wenn eines dieser Geräte an das OEM-Ladegerät angeschlossen wird, steigt der Ladegerätausgang auf 5,5 Volt und der Ladestrom beträgt ca. 1,6 Ampere. Wenn ich dies mit einer billigen Steckdose mit einer Nennleistung von 1 Ampere versuche, bleibt die Spannung bei 5,0 und wird bei 0,8 Ampere aufgeladen. Ich habe auch mehrere batteriebetriebene Ladegeräte. Die meisten von ihnen liefern, obwohl sie für 2 Ampere oder mehr ausgelegt sind, nur 5,0 Volt, und der Ladestrom bleibt bei etwa 0,8 Ampere. Daraus schließe ich, dass das Samsung-Protokoll für die Geräte die Anforderung eines Schnellladevorgangs mit einem der oben genannten Mittel vorsieht und dass das Ladegerät dies signalisiert, indem es seine Leistung auf 5,5 Volt erhöht.