Зарядка планшета від USB питання залишилося відкритим, Composter
Мобільність сучасних електронних пристроїв - задоволення, сплачене необхідністю періодично заряджати акумулятори. Зазвичай це робиться за допомогою спеціальних зарядних пристроїв. Але є альтернатива — використовувати USB-порти персонального комп'ютера. Їхня експлуатація в режимі зарядного пристрою визначена специфікацією Battery Charging.
Чи стала специфікація Battery Charging «нормою життя» у світі мобільних пристроїв чи залишається лише інноваційним побажанням? Давайте торкнемося цього питання, підключивши планшет до порту універсальної послідовної шини. Спостереження зарядних процесів стане критерієм істини у дослідженні готовності персональних платформ бути «станціями переливання струму».
До історії питання
Новий індустріальний стандарт для універсальної послідовної шини не лише покращив її пропускну здатність, а й підняв планку споживання струму. Версія USB 3.0 збільшила це значення до 900 мА.
Спробою використовувати універсалізм USB-шини у всіх сенсах і стала поява специфікації Battery Charging, що регламентує процеси споживання струмів понад 900 мА для потреб периферійних пристроїв.
Примітка. Підключення навантаження до будь-якого джерела живлення неминуче призводить до зменшення або «просідання» вихідної напруги. USB-порт не є винятком. Специфікація USB встановлює діапазон напруги живлення від 4.40 до 5.25 Вольт, в якому шина зберігає свою працездатність. Забігаючи вперед, відзначимо, що для стійкої зарядки акумуляторів вимоги до порту жорсткіші: необхідно забезпечити напругу не нижче 4.75V в робочому діапазоні струмів, що споживаються.
Що такеBattery Charging Specification
Головними предметами стандартизації у документі Battery Charging Specification є:
1) електричні характеристики ланцюгів живлення, а саме, здатність USB-порту видавати підвищені струми та утримувати стабільну напругу у всьому їх діапазоні.
Примітка. Наведений нижче графік встановлює ліміти на «просідання» напруги живлення під впливом струму навантаження. Допустима ділянка відзначена темним кольором. Як бачимо, специфікація Battery Charging більш вимоглива до ланцюгів живлення, ніж специфікація USB.
2) протокол, згідно з яким пристрій, що заряджається, розпізнає підтримку специфікації Battery Charging портом USB.
Ідея в тому, що пристрій подає напругу Vdat_ref на лінію USB2 Data+, а хост як відповідь реакції видає напругу Vdm_src на лінію USB2 Data–. По цій реакції, заряджуваний пристрій розпізнає можливості хоста і отримує право на споживання струмів, що перевищують ліміти, встановлені специфікацією USB.
Коментар. Підключаючись до USB-порту, девайс, що заряджається, використовує ламелі, призначені для інформаційного обміну по USB 2.0. Як випливає з вище сказаного, про свої наміри він повідомляє лінією Data+, а підтвердження від хоста чекає лінією Data–. Ламелі USB 3.0 для схем живлення зовнішніх пристроїв не використовуються.
Типи портів
Документ Battery Charging Specification встановлює три основні види портів.
1) SDP (Standard Downstream Port) - звичайний USB-порт зі стандартною здатністю навантаження в межах 500/900 мА.
2) CDP (Charging Downstream Port) — USB-порт з підвищеною здатністю навантаження до 1.5 A. Паралельно із зарядкою, CDP здатний забезпечити обмін за інтерфейсами USB2.0/3.0.
3) DCP (Dedicated Charging Port) – це зарядний пристрій без використання інформаційних сигналів USB-порту. Залежно від реалізації може забезпечувати струм від 1.5 A до 5 A. Зауважимо, що протокол розпізнавання такого порту максимально спрощений: у роз'ємі порту DCP лінії USB2 Data+ та USB2 Data– мають бути закорочені.
Коментар. Напрошується інший сенс абревіатури DCP: Dummy Charging Port — тупо заряджаємо периферію і все!
Починаємо експерименти
У нашій тестовій лабораторії опинився планшет ASUS Vivo Tab TF600T, укомплектований штатним зарядним пристроєм. Для дослідження режиму зарядки від USB-порту ми використовували USB 3.0 адаптер виробництва ST Lab на основі xHCI-контролера Renesas uPD720202.
Досвід перший. Робота зі штатним зарядним пристроєм
За допомогою омметра ми виявили, що два центральні контакти USB-роз'єму на зарядному пристрої замкнуті між собою. Це означає, що зарядний пристрій підтримує специфікацію Battery Charging та класифікується як DCP (Dedicated Charging Port).
Включивши амперметр у розрив ланцюга живлення Vbus, ми виміряли струм, який споживається планшетом при зарядці. Він дорівнює 900 mA при напрузі +5 ст.
Увімкнувши спеціально виготовлений перехідник між планшетом та зарядним пристроєм, ми розірвали ланцюг, що з'єднує лінії USB2 Data+ та USB2 Data–. Це має призвести до неможливості розпізнавання планшетом режиму DCP. Але змін у споживанні струму ми не виявили: планшет не підтримує протокол розпізнавання порту, описаний у специфікації Battery Charging.
Вимкнувши планшет, ми перевірили омметромопір ліній USB2 Data+ та USB2 Data– щодо землі на найвищій межі. Результат – нескінченність. А це означає, що зазначені ланцюги розімкнені і, отже, не містять будь-яких схем, що забезпечують розпізнавання BC-протоколів.
Спроба зарядки планшета у поєднанні з док-станцією через наш перехідник закінчилася невдало – режим зарядки не працює. З'єднання ліній USB2 Data+ та USB2 Data– не покращило ситуацію. Що й не дивно: в док-станцію вбудований додатковий акумулятор, а спільна зарядка кількох батарей призводить до підвищеного споживання струму. Імовірно, у такому режимі виникає падіння напруги на роз'ємі та сполучних провідниках. Це означає, що вимоги до здатності навантаження і стабільності ланцюга живлення +5V повинні бути значно вищими, ніж обумовлено специфікацією USB.
Досвід 2. Намагаємось заряджатися від USB порту
Як випливає з документації, контролер Renesas uPD720202 підтримує специфікацію Battery Charging, що дозволяє пристрою розпізнати можливості заряджувального пристрою або хоста. У припущенні, що струм, споживаний планшетом, залежатиме від програмно встановленого BC-режиму, було написано невелику утиліту BCTool.EXE. З її допомогою можна керувати регістрами Renesas uPD720202, відповідальними за встановлення режимів, передбачених специфікацією BC.
Але при спробі зарядити планшет від USB-порту на нас чекало розчарування: пристрій вперто не переходив у режим заряджання. Іноді можна було спостерігати пульсації струму, що споживається, які, втім, не виводили планшет на режим зарядки від USB. Результати низки експериментів зі спеціально виготовленими перехідниками говорять на користь того, що причиною стала банальна навантажувальна недостатність.Можливості порту. Просідання напруги на лінії Vbus, яке не є проблемою для роботи звичайних USB-пристроїв, перешкоджало включенню режиму зарядки.
Як випливає з результатів першого досвіду, планшет не підтримує розпізнавання сучасних можливостей, про які рапортують USB-порти контролера Renesas uPD720202. Це означає, що нашим очікуванням побачити зміну споживаного струму при програмній установці BC-режимів Renesas xHCI не судилося збутися навіть у тому випадку, якби відсутня проблема з здатністю навантаження порту.
Досвід 3. Досліджуємо протокол BC
У ситуації, коли детальне дослідження можливостей USB-порту з підтримки специфікації Battery Charging неможливе через відсутність відповідної периферії, єдиною можливістю залишається макетування. Нагадаємо, взаємодія хоста і підключеного мобільного пристрою, що заряджається, полягає в тому, що мобільний пристрій подає напругу Vdat_ref на лінію USB2 Data+, а хост як відповідь реакції видає напругу Vdm_src на USB2 Data–. По цій реакції у відповідь заряджається пристрій розпізнає BC-можливості хоста.
Для моделювання процесу було зібрано резисторний дільник, що подає напругу близько 0.5V на лінію USB2 Data+ контролера Renesas uPD720202. Напруга на лінії USB2 Data-контролювалася за допомогою вольтметра. Якщо підтримка BC вимкнена, на лінії USB2 Data– напруга близько нуля, оскільки лінії даних USB заземлені через резистори Pull-down. За допомогою утиліти BCTool.EXE, написаної в нашій тестовій лабораторії, перемикаємо режим роботи порту та спостерігаємо результат на вольтметрі. При виборі режиму CDP на лінії USB2 Data– зафіксовано зростання напруги до 0.6V, як і має бути відповідно до специфікації BC.
Такий результат, а також наявність додаткового роз'єму живлення THP-4MR на платі адаптера свідчать, що виробник пристрою знаходиться на шляху до повноцінної підтримки специфікації BC. Залишилося забезпечити вимоги специфікації потужності ланцюга +5V, утримуючи задану напругу при заданому струмі відповідно до графіка, наведеного на початку статті.
Щоб "світле майбутнє", описане в документі Battery Charging Specification, стало реальністю, розробникам мобільних пристроїв та USB-адаптерів потрібно докласти чимало зусиль. Хотілося б вірити, що виробництво оригінальних зарядних пристроїв не стане на шляху впровадження цієї специфікації.