Grundlegendes zu den Anforderungen an den USB-Einschaltstrom

In Bezug auf eine vorherige Frage versuche ich, die USB 2.0-Anforderungen für den Einschaltstrom zu verstehen. Ich verstehe die Grundidee, aber ein paar Details sind mir noch unklar. In der Spezifikation heißt es teilweise:

Die maximale Last (CRPB), die am stromabwärtigen Ende eines Kabels platziert werden kann, beträgt 10 μF
parallel zu 44 Ω. Die Kapazität von 10 μF steht für einen Bypass-Kondensator, der in der Funktion direkt über die VBUS-Leitungen angeschlossen ist, sowie für alle kapazitiven Effekte, die durch den Regler im Gerät sichtbar sind. Der Widerstand von 44 Ω entspricht einer Einheit Strom, die das Gerät beim Anschließen verbraucht.

Wenn im Gerät mehr Bypass-Kapazität erforderlich ist, muss das Gerät eine Art VBUS-Stoßstrombegrenzung enthalten, damit es den Eigenschaften der oben genannten Last entspricht.

Die USB-ZF enthält auch eine Beschreibung eines Einschaltstromtests:

Der Einschaltstrom wird mindestens 100 Millisekunden nach dem Anschließen gemessen. Verbinden ist in dem Moment definiert, in dem der VBus und die Erdungsstifte des Steckers mit der Buchse zusammenpassen.
Jeder Strom, der 100 mA während des Intervalls von 100 ms überschreitet, wird als Teil des Einschaltstromereignisses betrachtet. Der Einschaltstrom ist in Regionen unterteilt. Ein Bereich ist ein Intervall, in dem der Strom 100 mA überschreitet, bis der Strom für mindestens 100 µs unter 100 mA fällt. Während des Zeitraums von 100 ms kann es mehrere Einschaltbereiche geben. Pass / Fail wird von der Region mit der höchsten Gebühr bestimmt.

Dies ist zwar explizit, gibt aber nur eine minimale Messzeit an und gibt keinen Aufschluss darüber, welcher Algorithmus auf die Einschaltregionen angewendet wird, um eine Pass / Fail-Entscheidung zu treffen. Ich denke, die Idee ist, dass in den Regionen, in denen der Strom 100 mA überschreitet, der Strom integriert wird, um die Gesamtladung zu übertragen, die während dieses Fensters übertragen wird, und die Gesamtladung nicht größer sein darf als die, die Sie mit 10 uF // 44 erhalten würden Ω Last. Einer Quelle zufolge wären dies 5 V × 10 & mgr; F = 50 & mgr; C. Hier wird mein Verständnis etwas wackelig.

Zum besseren Verständnis analysierte ich die folgende Schaltung :

[Der Widerstand R1 ist in keiner Spezifikation enthalten, aber ich muss ihn für die Berechnung verwenden und kann ihn nach Bedarf auf Null setzen.] Der Strom beginnt bei und fällt exponentiell auf mit Zeitkonstante .V 1 / ( R 1 + R 2 ) ( 1 / R 1 + 1 / R 2 ) - 1 C $V_1/R_1$$V_1/(R_1 + R_2)$$(1/R_1 + 1/R_2)^{-1} C_1$

Die Gesamtladung zum Zeitpunkt übertragen werden$t$

In der Grenze, in der auf Null geht, vereinfacht sich dies$R_1$

Ein Teil, den ich nicht verstehe, ist, dass mit 5 Volt vom USB-Bus und der vorgeschriebenen Last von 44 Ω immer ein Strom von 5 V / 44 Ω = 114 mA vorhanden ist, was mehr als die 100 mA-Grenze ist, die im angegebenen USB beschrieben ist -IF-Test und außerdem mehr als die maximal zulässige Einheit (dh 100 mA) für eine USB-Funktion mit niedrigem Stromverbrauch (USB 2.0-Spezifikation, Abschnitt 7.2.1). Im Grenzfall R1 = 0 zieht dieser Strom so viel Ladung wie der Kondensator (dh 50 µC) in R2 * C1 = 440 µs.

Wenn Sie also noch lesen, ist die Frage, was es genau bedeutet, "die Eigenschaften der obigen Last anzupassen" (dh 44 Ω parallel zu 10 µF) und wie der beschriebene USB-ZF-Einschaltstrom Stromtest entscheiden, wie viel Strom zu viel ist?

Vielen Dank.

Die Antwort lautet: Niemand weiß es.

Nun, jemand weiß Bescheid, aber der Einschalt-Bestanden / Nicht-Bestanden-Test wird als firmeneigene Information angesehen, und wie diese Feststellung getroffen wird, wird vom USB-IF aus Gründen, die ihm bekannt sein sollten, nicht veröffentlicht. Ich weiß, das ist keine sehr befriedigende Antwort, aber das ist die einfache Wahrheit.

So zitieren Sie die Seite mit den elektrischen Konformitätstests (der Text ist rot, damit Sie wissen, dass sie noch schwerwiegender sind als die normale USB-WENN-Schwere):

HINWEIS: Einige der folgenden zugelassenen Testlösungen verwenden proprietäre Software, um die Signalqualität zu bewerten und aktuelle Ereignisse einzuschalten. Das einzige offizielle Analysetool zur Zertifizierung von Signalqualität und Einschaltstrom ist USBET20, das vom USB-IF veröffentlicht wurde. Stellen Sie sicher, dass Sie die erfasste Signalqualität und die aktuellen Testdaten über USBET einspeisen, um eine offizielle Bewertung der Messung zu erhalten.

So sie sagen ausdrücklich , dass Sie die Bestimmung mit einer Signalerfassung allein oder mehrere Oszilloskope ‚USB Einschaltstrom Test‘ -Funktion machen können (ich habe noch nie gesehen, so dass ich nicht teuer genug Oszilloskope verwenden muß) nicht gültig , und die einzige Möglichkeit, Die Einschaltstromkonformität wird eingehalten, wenn USBSET20 besagt, dass Ihr Gerät die Konformität erfüllt. Es nimmt .tsv / .csv-Wellenform-Erfassungsdaten auf und überträgt die USB-Konformität (im HTML-Format).

Von der Download-Seite der USB-Tools:

USBET20 (8 MB, August 2016) ist ein eigenständiges Tool zur Analyse elektrischer Signale für USB-Konformitätstests. USBET20 ist das offizielle Tool für die elektrische Konformitätsanalyse, mit dem die Signalqualität und die Einschaltstromdaten, die mit einem Oszilloskop erfasst wurden, überprüft werden.

Zur weiteren Erläuterung geben sie nur die minimale Messzeit an, da dies alles ist, was Sie wissen müssen. Sie müssen nicht wissen, wie die tatsächliche Pass / Fail-Bestimmung erfolgt, und tatsächlich sagen sie nichts aus. Die USB-ZF ist bereit, Ihnen mitzuteilen, ob Sie die Richtlinien einhalten, aber sie teilen niemandem mit, wie sie dies tatsächlich feststellen (zumindest für den Einschaltstrom).

Diese maximale Downstream-Last ist eine Spezifikation, die für ein Upstream-Gerät (Host-Port oder Hub) relevant ist. Dies bedeutet, dass dieser Hub oder Port bei der Entwicklung eines solchen Geräts und NICHT eines Peripheriegeräts einer maximalen Downstream-Last eines 44Ω-Widerstands und eines Widerstands standhalten sollte 10µF Kondensator parallel geschaltet. Und Sie haben absolut Recht - dies könnte unter extremsten Bedingungen bis zu 25mA über die 100mA-Grenze ziehen. Daher muss ein vorgeschaltetes Gerät in der Lage sein, mit einer solchen Last umzugehen ("Handle" bedeutet, dass nicht mehr als 330 mV Statik auftreten).

Wenn Ihr Peripheriegerät jedoch eine solche Last wäre, würde es die Konformität nicht erfüllen, da es bei einigen (im Wesentlichen allen) möglichen Spannungsbereichen über 100 mA zieht. Diese Last ist ausschließlich als Worst-Case-Entwurfsszenario für vorgelagerte Geräte gedacht und wird zum Testen dieser Geräte verwendet. Es ist nicht relevant für einen Einschaltstrom-Konformitätstest für Peripheriegeräte.

Relevant ist, dass es nicht wirklich um den Strom geht. Es geht um Ladung, damit sind Sie schon auf dem richtigen Weg. Insbesondere geht es um den Spannungsabfall. Ein Upstream-Port an einem Hub muss mindestens 120 µF mit einer sehr geringen ESR-Kapazität an seinem Ausgangs-VBUS aufweisen, wobei der Bus die Downstream-Peripherie mit Strom versorgt.

Ein Host oder ein Hub mit eigener Stromversorgung, der die schlechteste Ausgangsspannung (4,75 V) liefert und über die crappiest Stecker, das crappiest Kabel, zu einem Hub ohne eigene Stromversorgung führt, der auch die crappiest Stecker verwendet. Dieser Hub hat dann weiterhin die crappiest VBUS-Eingangsspannung zum VBUS-Ausgang / Downstream-Spannungsabfall (350mV) beträgt die Spannung 4,4V. Diese 4,4 V, die über beschissene Anschlüsse mit einem beschissenen Peripheriegerät verbunden sind, können dazu führen, dass die tatsächliche absolute Mindestspannung für ein Gerät mit geringem Stromverbrauch angezeigt wird: 4,35 V. Ab Seite 175 der USB 2.0-Spezifikation:

Lass uns ein bisschen rechnen. Ein stromaufwärtiger Hub ohne Stromversorgung muss eine Kapazität von 120 µF nachgeschaltet haben. Bei 4,4V * 120µF sind das 528µC Ladung. Ein angeschlossenes Gerät hat einen 10µF Kondensator. Wenn Sie so tun, als gäbe es keine statische Last oder Leistung, sondern nur einen aufgeladenen Kondensator am Anschluss und einen ungeladenen Kondensator mit 10 µF am Peripheriegerät, wird die Ladung erst verteilt, wenn der andere voll ist, sondern bis die Spannung zwischen ihnen gleich ist. Die Ladung bleibt erhalten, sodass der Punkt, an dem sich die Spannungen der beiden Kondensatoren bei einer Startladung von 528 µC angleichen, ungefähr 4,06 V beträgt. Oder 40,6 uC übertragen. Fügen Sie die Verbindungswiderstände hinzu, und der nachgeschaltete Kondensator kann während des Einschaltstroms nicht einmal so viel Ladung ziehen.

Der einzige wichtige Faktor ist also, dass er 10µF nicht überschreitet. Der Strom ist nicht wirklich wichtig, da die Kapazität des Downstream-Ports des Hubs so stark verringert werden kann, dass während des Transienten keine Spannungsabfälle von mehr als 330 mV auftreten. Und ein 10µF Kondensator ist der nächste verfügbare Wert, der das nicht schafft.

Beachten Sie auch, dass es keine Kapazitätsgrenze gibt. Ein nachgeschaltetes Gerät kann 1F der gesamten Keramikkapazität aufweisen, sofern diese in 10µF-Abschnitte unterteilt ist und nur einer davon beim Anschließen angeschlossen wird. Sobald das Gerät angeschlossen ist, müssen Sie unter einer 10µF- Stufe bleiben , können jedoch die Kapazität schrittweise in 10µF-Schritten "online" schalten. Der springende Punkt ist das Vermeiden dieses Übergangs.

Und ja, dies bedeutet, dass ein Peripheriegerät mit geringem Stromverbrauch nicht nur bis zu 4,35 V arbeiten soll, sondern auch einem Spannungsabfall von 330 mV standhält, wenn beispielsweise etwas Neues an einen Hub angeschlossen wird. Dies bedeutet theoretisch auch, dass Sie möglicherweise den Betrieb anderer Geräte am Hub ohne Stromversorgung stören können, wenn Sie zwei Geräte NUR zu den richtigen Zeiten anschließen, um nahezu gleichzeitig zu arbeiten. Ich bin sicher, dass die Roboter mit ihren HPETs diesen kritischen Fehler in unserer USB-Bus-Spezifikation ausnutzen werden, um unseren Untergang herbeizuführen.

Jetzt gibt es wahrscheinlich andere subtile Aspekte wie die dI / dT-Raten oder was auch immer. Wer weiß genau, was in den Pass-Fail-Test einbezogen ist. In Anbetracht der Tatsache, dass sie ein komplettes 7,5-MB-Installationsprogramm für das Programm haben, das diesen Test durchführt, ist es wahrscheinlich sicher anzunehmen, dass dies nicht einfach ist. Denken Sie jedoch daran, dass Sie vermeiden möchten, dass vorgeschaltete Kondensatoren mit Ihrer eigenen Kapazität nachgeschaltet werden, und das ist wirklich alles, was dazu gehört. Solange Sie nicht dazu führen, dass andere Geräte aufgrund der Spannungsschwankungen, die Ihr Peripheriegerät möglicherweise verursacht, ausfallen, ist alles in Ordnung. Tatsächlich läuft es nur darauf hinaus, die Kapazität, die beim Anschließen oder bei anderen Leistungszustandsänderungen zu sehen ist, auf 10 µF zu halten. Es wäre eigentlich besser zu versuchen, weniger als das zu haben, 10µF ist das Maximum. Ich ziehe an Ich weiß nicht, wo die Idee angefangen hat, dass das absolute Maximum die 'Standard'-Kapazität sein sollte, aber gute Ingenieure wissen es besser, als maximale Bewertungen anzustreben. Immer unterschätzen. Ich mag einen schönen 4,7µF Kondensator. Wenn Sie mehr Entkopplung benötigen, müssen Sie es nur nicht direkt an VBUS anschließen und es auf 100 mA Überspannungsableitung begrenzen, und schon sind Sie goldrichtig. Sie dürfen jedoch einen Strom von weit über 100 mA übertragen, sofern in einer Region nur Ladungen im Wert von 40,6 µC übertragen werden.

Mach dir keine Sorgen über den Einschaltstrom. Bei dem Einschaltstromtest geht es nicht wirklich um Einschaltstrom.

Einschalttests sind in den USB-IF-Konformitätsupdates unter http://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45 angegeben .

Der Einschaltstrom wird mindestens 100 Millisekunden nach dem Anschließen gemessen. Verbinden ist in dem Moment definiert, in dem der VBus und die Erdungsstifte des Steckers mit der Buchse zusammenpassen. Jeder Strom, der 100 mA während des Intervalls von 100 ms überschreitet, wird als Teil des Einschaltstromereignisses betrachtet. Der Einschaltstrom ist in Regionen unterteilt. Ein Bereich ist ein Intervall, in dem der Strom 100 mA überschreitet, bis der Strom für mindestens 100 µs unter 100 mA fällt. Während des Zeitraums von 100 ms kann es mehrere Einschaltbereiche geben. Pass / Fail wird von der Region mit der höchsten Gebühr bestimmt.

Pass / Fail ist 50 uC oder 5V x 10uF (@metacolin berücksichtigt Statik, USB jedoch nicht).

Sie können den Einschaltstrom anhand einer Bereichserfassung des Stroms approximieren und die Fläche (i * dt) über 100 mA für jede Region berechnen und über die 100 ms nach dem Anschließen auf Worst-Case-Region prüfen.

USBET berechnet anhand der CSV-Daten.

Der tatsächliche Spitzenstrom an sich ist nicht relevant.

Dies ist eine Spezifikation für einen USB-Hub oder einen Host-Adapter. Das Black-Box-Modell stellt eine typische Belastung für Stoßspannungsprüfungen dar. Die Spezifikation erfordert jedoch nur eine Obergrenze von 1 uF min für das Peripheriegerät. 10 uF gelten als Standardbelastung. Da Kondensatoren aller Art mit einem ESR von nur 10 mΩ erhältlich sind, wird der Spannungsstoß durch den ESR der Kappe und den Widerstand des 1- oder 1,5 m-Kabels begrenzt. Wenn das Kabel und die Steckverbinder vernachlässigt würden oder 0 Ω, könnte es sich theoretisch um einen Überspannungsschutz von 500 A = 5 V / 0,01 Ω handeln.

In der Praxis wird es viel weniger sein, aber der Host muss in der Lage sein, eine Unterspannungsbedingung unabhängig vom ESR der Kappe zu verhindern.

Wie das geht, liegt beim Designer.

Also deine Frage ...

Wie entscheidet der beschriebene USB-ZF-Einschaltstromtest, wie viel Strom zu viel ist?

Antwort: Durch die Host-Spannung, die innerhalb der Spezifikation für die Spannung bleibt, sodass andere Ports aufgrund eines Hot-Plug-In-Einschaltstromstoßes keinen nicht den Spezifikationen entsprechenden Zustand erkennen. Das ist die Absicht dieses Tests.

Wenn der Test beim Black-Box-Test keine Spannungsspitze von mehr als 100 mA feststellt, kann ein Hot-Insert-Gerät mit einer Mindestlast von 1 uF möglicherweise nicht erkannt werden. Es wird also ein minimaler Anstieg und kein maximaler Peak erwartet, aber es gibt eine maximale Dauer.