الدعم الفني

دعم الخدمة

الفعاليات

المنتجات الموصى بها

توصيل الطاقة عبر USB-C - ما الذي يجعل كابل USB-C يشحن بسرعة؟

23 أغسطس 2022
توصيل الطاقة عبر USB-C - ما الذي يجعل كابل USB-C يشحن بسرعة؟


قبل ظهور واجهة Type-C، كان كابل USB يسمح فقط بتوفير طاقة 2.5 واط، بينما كابل USB Type-C يسمح بالوصول إلى أقصى طاقة تصل إلى 5V/3A (15W). إذا تم اعتماد بروتوكول توصيل الطاقة (PD)، يمكن زيادة الجهد والتيار إلى 20 فولت/5 أمبير (100 واط)، مما يسمح بتزويد الأجهزة الكبيرة عبر واجهة USB، مثل شحن جهاز لابتوب ببطارية كبيرة.

لكن، ما الذي يجعل كابل USB-C يشحن بسرعة؟

Fأولا، دعونا نستعرض واجهة USB-C وكابل USB-C

1. تعريف الدالة لرمز PINsمن USB Type-C

Type-C هو شكل من أشكال واجهات USB. إنه الموصل USB الوحيد الذي لا يهتم بالواجهة الأماميةالجانبوالعودةالجانبعندما يتم إدخاله. يدعم الشحن القياسي عبر USB، ونقل البيانات، ونقل الفيديو، ونقل الصوت، وإخراج الشاشة، ووظائف أخرى.





فرق آخر بين USB Type-C والمعايير القديمة هو قدرته على الدور المزدوج. كلا طرفي كل كابل USB Type-C معكوس، مما يعني أن الجهازين المتصلين يجب أن يتواصلا مع بعضهما لتحديد ما إذا كان يجب أن يوجدوا كمضيف أو كجهاز طرفي. يجب إجراء الاتصال بين الأدوار بشكل منفصل للبيانات والطاقة، ويجب تنفيذ هذا العمل بعد توصيل الكابل.

المنفذ المضيف المستخدم لاتصال البيانات يسمى منفذ المواجهة للأبواب (DFP)، والمنفذ الطرفي يسمى منفذ المواجهة للأعلى (UFP). من حيث مصدر الطاقة، يسمى طرف مصدر الطاقة بنهاية المصدر (المصدر)، وطرف استهلاك الطاقة يسمى طرف الحوض (الحوض). بعض الأجهزة يمكن أن تحتوي على قدرة الأدوار المزدوجة للبيانات (DRD) على البيانات وقدرة الأدوار المزدوجة للطاقة (DRP) على مزود الطاقة. الكلية السريريةالسلكيحدد دور مزود الطاقة أثناء الاتصال بين الجهازين، حيث يتواصل عبر "دبوس قناة التكوين CC" من النوع C



2. كيف يتم توصيل كابل USB-C إلى USB-C؟

مخطط الأسلاك لكابل USB-C إلى USB-C الجيل الثاني الكامل هو كما يلي، مقدما من شركة P-Shine Electronic Tech Ltd.

الحالة (1) اتصال مباشر غير مقلوب



الصورة أعلاه تظهر الاتصال عندما يكون الكابلغير مقلوب. من المقبس على اليسار إلى المقبس على اليمين، زوج RX1 متصل بزوج RX1، وزوج RX2 متصل بزوج RX2؛ D+ متصل ب D+، وD- متصل ب D-، وSBU1 متصل ب SBU2، وCC1 متصل ب CC1. .

أحيانا لا تحتاج أجهزة VCONN في كلا طرفي الكابل إلى الاتصال (من B5 إلى B5). عندما يكون الإلكترونيماركيتم تركيب شريحة (علامة E) على لوحة PCB لموصل USB-C، وB5 في المقبس الأيسر، وB5 في المقبس الأيمنالحاجةأن تكون متصلة ببعضها البعض

الولاية (2)Fاتصال شبه



عندما يبقى المقبس والمقبس على اليسار كما هما، والمأخذ على اليمينأيضايبقى كما هو، لكن المقبس على اليمين يتغير من جانب إلى آخر (USB-C يدعم الإدخال الأمامي والخلفي)، واتصال USB-Cمقلوب

في هذه الحالة، من المقبس على اليسار إلى المقبس على اليمين، زوج RX1 متصل بزوج TX2، زوج RX2 متصل بزوج TX1، D+ لا يزال متصلا ب D+، D- لا يزال متصلا ب D-، SBU1 متصل ب SBU1، SBU2 إلى SBU2، وCC1 متصل ب CC2 عبر CCالسلك. الآن، يتم نقل البيانات عالية السرعة عبر RX1+/- وTX1+/- على اليسار إلى TX2+/- وRX2+/- على اليمين.

كل من المقابس اليسرى واليمنىهلتقلب. يبدو أن هناك أربع طرق اتصال مختلفة إجمالا، لكن في الواقع هناك طريقتان فقط، مباشرة (قلب الطرفين في نفس الوقت يعادل التقليب المباشر) والتقليب من طرف واحدed.

لذلك، يمكنك رؤية أربعة أزواج من أزواج الإشارة عالية السرعة في كابل 3.1 من كابل USB-C إلى USB-C، لكن زوجين فقط يعملان في نفس الوقت, wإذا تم قلب المقبس أحادي الجانب، قد تحل الزوجان الحران الآخران محل الزوج الأصلي العاملs. أو مع تغير أدوار المضيف والطرف في مزود الطاقة أو نقل البيانات، يتم تبديل أزواج الإشارة باستمرار.

في نظام USB 3.1، يجب تكوين أزواج بيانات RX/TX لكل حالة اتصال ممكنة باستخدام مضاعف حتى يتم تكوين اتصال صحيح.يوضح الشكل أدناه إمكانيات التوجيه لأزواج البيانات بين منافذ USB Type-C، ويمكن معرفة اتجاه القابس والمقبس بقياس حالة CC1/CC2 على كل طرفية، ثم يمكن لمتحكم منطق CC إكمال تكوين التوجيه للمتسلل إما في المضاعف أو في شريحة USB.




3. توصيل الطاقة عبر USB-C - ما الذي يجعل كابل USB-C يشحن بسرعة؟

USB PD3.0 مرتبط فقط بمزود طاقة الكابل، وليس له علاقة بنقل البيانات. يمكن أن تكون كابلات الشحن التقليدية عبر USB-A من سلكين فقط، VBUS وGound. ومع ذلك، فإن كابل USB-C إلى USB-C الذي يتوافق مع PD 3.0 يتطلب على الأقل ثلاثة أسلاك: VBUS، Gound، وCC (تكوين القناة).

في كابل USB Type-C الذي لا يستخدمaبروتوكول نقل الطاقة، وهو طريقة نقل الطاقة من الطرف المصدر إلى طرف المصرف موضح في الشكل أدناه



الطرف المصدري لكابل USB Type-C يحتوي دائما على مفتاح MOSFET لتشغيل/إيقاف VBUS، وقد يكون لديه القدرة على اكتشاف تيار VBUS، ووظيفته الرئيسية هي اكتشاف حالات التيار الزائد،دائرة تفريغ VBUS في الجهاز تبدأ العمل عند حدوث تيار زائد. توجد دوائر الكشف في CC1 وCC2 في كل من المصدر والبنك.

دور CC (تكوين القناة)السلكهو تكوين مزود الطاقة لجهازين متصلين. في البداية، لا يوجد مزود طاقة على VBUS الخاص بواجهة USB Type-C. يحتاج النظام إلى تحديد دور الجهاز أثناء توصيل الكابل.سيتم تعريف الجهاز الذي يتم سحب جهد خط CC على المقبس على المقبس كمصدر للطاقة (المصدر)، بينما الجهاز الذي تم سحب الجهد إليه للأسفل يعرف كمستهلك الطاقة (المغسل).



يوضح الشكل أعلاه كيفية تحديد الدورsمن حيث مصدر الطاقة والاستهلاك، وتوجيه الكابلات، وقدرة تزويد التيار. يتم سحب CC1 وCC2 في نهاية المصدر إلى أعلى بواسطة المقاومة Rp، ويكون CC1/CC2 المراقبان دائما عند جهد عالي عندما لا يكون هناك أي اتصال. بمجرد توصيل المغسلة، يتم سحب جهد CC1 أو CC2 للأسفل بواسطة المقاومة Rd . وبما أن هناك سلك CC واحد فقط في الكابل، يمكن للمصدر أن يحدد أي سلكجانبCC منخفض. كما يتم مراقبة جهد CC1/CC2 عند الحوض, once a CCالسلكإذا تم سحبه للأعلى، فإن التغير في مستوى الجهد سيجعل الحوض يعرف قدرة مصدر التيار على التيار المطلوب. يمكن أيضا استبدال مقاومة السحب للأعلى Rp في الدائرة بمصدر تيار، وهو سهل التنفيذ في الدائرة المتكاملة ويمكن أن يكون محصنا ضد أخطاء جهد التيار V+.

القيمة المحددة لمقاومة السحب للأسفل Rd عند المغسلة هي 5.1KΩ، أي جهد ال CCالسلكيتم تحديده بقيمة مقاومة السحب للأعلى Rp عند المصدر (أو القيمة الحالية للمصدر الحالي). هناك 3 مستويات من تيار الحافلات وقد تم تعريفها. أدنى CCالسلكالجهد (حوالي 0.41 فولت) يتوافق مع مواصفة طاقة USB الافتراضية (500 مللي أمبير ل USB 2.0 أو 900 مللي أمبير ل USB 3.0)، والجهد الأعلى CCالسلكالجهد (حوالي 0.92 فولت) يعادل قدرة تيار تبلغ 1.5 أمبير. إذا كان ال CCالسلكالجهد حوالي 1.68 فولت، وهو الجهد المقابلMقدرة إمداد التيار في أكسيوم هي 3 أمبير. يمكن أن تشير البيانات ذات الصلة إلى الشكل التالي



يوضح الشكل أدناه حالة قياس حيث جانب مزود الطاقة (Source) متصل بجانب استهلاك الطاقة (Sباستخدام كابل USB-C إلى USB-C العادي.

في البداية، يتم سحب كل من CC1 وCC2 على مقبس المصدر إلى جهد عالي بواسطة المقاومة Rp، ويتم سحب كل من CC1 وCC2 على المغسلة إلى جهد منخفض بواسطة مقاومة السحب Rd.

بعد توصيل الكابل، يتم رفع CC1 أو CC2 إلى جهد أعلى حسب اتجاه إدخال الكابل. الكابل في هذه الحالة ليس في حالة قلب، فCC1 في طرف المصدر وCC1 في نهاية الحوض متصلان.بعد أن يتأثر الجهد على CC1 ب Rp و Rd، تظهر قيمة جديدة، وسيتم قياس هذا الجهد بواسطة المغسلة وبالتالي معرفة قدرة المصدر على التيار الكهربائي.

في هذه الحالة، يكون جهد CC1 بعد الاتصال حوالي 1.65 فولت، مما يعني أن المصدر يمكنه توفير تيار أقصى يبلغ 3 أمبير.

بعد المؤتمر الكليفيالسلكإذا تم إنشاء الاتصال، سيتم تشغيل جهد 5 فولت على VBUS.

في الأنظمة التي لا تحتوي على بروتوكول توصيل الطاقة، يتم تحديد قدرة التيار على الحافلة بواسطة Rp/Rd، لكن المصدر يزود فقط 5 فولت



بعد اعتماد بروتوكول توصيل الطاقة (PD)، يمكن زيادة جهد ناقل نظام USB Type-C إلى حد أقصى 20 فولت، يتم التواصل بين المصدر والمصرف فيما يتعلق بجهد الناقل والتيار عن طريق إرسال رموز BMC التسلسلية على سلك CC

مخطط إطار النظام لنظام USB Type-C بما في ذلك بروتوكول PD من المصدرالجانبإلى الحوضالجانبموضح في الشكل أدناه



كما هو موضح في الشكل أعلاه، يحتوي الجانب المصدر على محول جهد يتم التحكم فيه بواسطة وحدة تحكم PD من جهة المصدر. يمكن أن يكون محول الجهد من نوع باك، بوست، باك-بوست أو فلايباك حسب ظروف جهد الإدخال وأعلى متطلبات جهد الحافلة. التواصل مع الدفاع العام عبر الكلية المجتمعيةالسلككما أنه تحت سيطرة وحدة تحكم PD. يحتاج نظام USB PD أيضا إلى مفتاح لتحويل طاقة Vconn إلى CCالسلك.

عند إنشاء اتصال الكابل، يبدأ اتصال SOP لبروتوكول PD عبر CCالسلكلاختيار مواصفات نقل الطاقة,سيطلب الحوض معايير تكوين الطاقة (بيانات الجهد والتيار للناقل) التي يمكن للمصدر. منذ أن طلب الطاقة في sالحبرالنهاية غالبا ما تكونذات صلةإلى الجهاز المتصل بالغرق(مثل الشاحن)، وهو وحدة تحكم النظام المدمجة في ال sالحبريحتاج الطرف إلى التواصل مع وحدة تحكم PD في الطرف المصدر لتحديد المواصفات المقابلة.

يوضح الشكل أدناه مثالا على وحدة تحكم PD تغوص تطلب جهد ناقل أعلى.



الاتصال بين الحوض والمصدر على الناقل الدائريالسلك يبدو كالخطوات التالية:

1. ال sيطبق جانب الحبر للحصول على بيانات القدرات الخاصة بجانب المصدر.

2. المصدر يوفر معلومات بيانات قدراته.

3. يختار المصرف معلمات تكوين الطاقة المناسبة من معلومات بيانات القدرة المقدمة من المصدر ويرسل طلبا مقابلا.

4. يقبل المصدر الطلب ويعدل جهد الحافلة إلى المعامل المقابل. أثناء تغييرات جهد الحافلة، يتم الحفاظ على استهلاك التيار من المغسلة بأقل قدر ممكن. يتم تنفيذ عملية رفع جهد الناقل عند نهاية المصدر وفقا لسرعة رفع الجهد المحددة.

5. بعد وصول جهد الحافلة إلى القيمة النهائية، ينتظر المصدر حتى يستقر جهد الحافلةثمإرسال إشارة جاهزية للطاقة إلىغرق، aفي هذه المرحلة، يمكن للحوض أن يزيد من استهلاكه الحالي. تحدث نفس عملية الاتصال عندما يرغب المغمر في انخفاض جهد الحافلة، أثناء انخفاض جهد الحافلة، يقوم المصدر بتنشيط دائرة تحويلة تقلل جهد الناقل بسرعة من خلال التفريغ النشط للناقل. بعد الوصول إلى القيمة المقدرة، ينتظر المصدر لفترة أطول قليلا حتى يستقر جهد الحافلة قبل إرسال إشارة جاهزة للطاقة إلى المستهلك

تضمن هذه الطريقة في التواصل أن أي تغييرات في الطاقة على الناقل تكون ضمن قدرات المصدر والمصرف، مما يتجنب الظروف غير القابلة للسيطرة. عند فصل كابل Type-C، يتم أيضا إيقاف الطاقة عن الحافلة. Aالاتصال الجديد في نيويورك بالتأكيد يقوم باكتشاف اتصال الكابل، والجهد دائما عند 5 فولت، بحيثبليمكن تجنب الجهد العالي عندما يكون الكابل متصلا من جهاز إلى آخر.

يستخدم اتصال USB PD رمز علامة ثنائي الطور (BMC)، وهو رمز اتصال أحادي الخط. يتطلب نقل البيانات 1 عملية تبديل بين الجهد العالي والمنخفض، ونقل البيانات 0 هو جهد ثابت عالي أو منخفض. تحتوي كل حزمة بيانات على مقدمة متناوبة 0/1، وبداية حزمة (SOP)، ورأس حزمة، وبايتات بيانات معلومات، ورمز تكرار دوري لCRC، وكود نهاية الحزمة (نهاية الحزمة). الحزمة، EOC)، انظر الشكل أدناه:



يوضح الشكل أدناه شكل موجة اتصال PD الذي يتطلب زيادة جهد الناقل من كثافة إلى موسعة. يمكن رؤية تسلسل المقدمة من آخر موجة موسعة.



يمكن فك تشفير بيانات الاتصالات BMC باستخدام جهاز فك تشفير USB PD، مثل محلل EX350 من إليسيس. باستخدام هذه الأداة، يمكن التقاط بيانات الاتصال البارزوني وعرض معنى كل حزمة بيانات، والتي تحتوي على بيانات متعلقة بالوقت مثل قيمة جهد الناقل وشكل الموجة على وحدة التحكمالسلك، إلخ، انظر الشكل أدناه




4. قائمة تكوين الطاقة

تحدد مواصفة USB PD 3.0 قائمة إعدادات مزودات الطاقة التالية:



هناك 4 قيم جهد منفصلة محددة مسبقا: 5V، 9V، 15V و20V. بالنسبة ل5 فولت و9 فولت و15 فولت، الحد الأقصى للتيار هو 3 أمبير. في تكوين 20 فولت، إذا كان الكابل طبيعيا، فإن الحد الأقصى المسموح به هو 20 فولت/3 أمبير(60W). إذا كان هناك كابل مخصص خصيصا معEليكترونيكمارك (E-Mark)إذا تم استخدامها، يمكن تكبير البيانات المقابلة إلى 20 فولت/5 أمبير(100W). نظام يدعم أعلى جهد وقدرةالدرجةيجب أن يدعم أيضا جميع الجهد المنخفض والطاقةالدرجةs.


5. كابل معEليكترونيكمارك (E-Mark) وكيف تعمل شريحة E-Mark؟

تحدد مواصفة USB Type-C مجموعة متنوعة من الكابلات بمواصفات مختلفة. لا توجد متطلبات خاصة لكابل USB 2.0 منخفض السرعة. لكن بالنسبة لكابلات USB 3.1 التي تدعمرائعنقل البيانات السريع، أو الكابلات التي تيارات تتجاوز 3 أمبير،Eليكترونيكماركيجب استخدامها. الكابل الموضح في الشكل أدناه يحتوي على دائرة متكاملة تتمثل وظيفتها في تحديد خصائص الكابل. يمكن أن يحتوي هذا الكابل الحيوي أيضا على IC لتشكيل الإشارة، وجميعها تتطلب طاقة من VCONNأغربمن الكابل.



Vconn في الكابل الذي يحتوي علىEليكترونيكماركتحتوي الشريحة على مقاومة سحب للأسفل Ra يساوي 1KΩ، وقيمته أصغر من المقاومة Rd، والتي عادة ما تكون 5.1kΩ. عند إدخال مثل هذا الكابل، سيشهد الطرف المصدري انخفاض جهد CC1 وCC2. تغير الجهد المحدد سيخبر المضيف أيهماالنهايةيتم سحبها للأسفل بواسطة مقاومة 5.1 كيلو أوم لطرف المغسلة, وأيالنهايةيتم سحبه للأسفل بواسطة ال 1KΩ مقاومة الكابل, إذا تاتجاه الإدخالللكابليمكن تحديده. تأثير السحب للأسفل في Ra يسمح أيضا للطرف المصدر بمعرفة أن VCONN يحتاج إلى مصدر طاقة 5V، لذا يجب أن يزود الطرف CC بالطاقة لتلبية متطلبات الطاقة الخاصة بEليكترونيكمارك.



يوضح الشكل أدناه حالة اختبار,WHإتشطرف مصدر الطاقة (المصدر) متصل بطرف استهلاك الطاقة (الحوض) بواسطة كابل يحتوي علىEليكترونيكمارك، والكابل في حالة انقلب. يمكن ملاحظة أنه عند توصيل الكابل، يتم استخدام CCالسلكعند نهاية المصدر، يتم سحب إلى جهد منخفض جدا بواسطة 1KΩ مقاومة من جهة VCONN.

المصدرالنهايةسيكتشف هذا الجهد ويعرف أن الكابل يحتوي علىEليكترونيكشريحة مارك، لذا سيربط VCONN بجهد 5V بوحدة التحكمالسلكلتزويد الدائرة الداخلية للكابل بالطاقة.

الاتصال التفاعلي البصري الذي يحدث لاحقا يشمل الاتصال بين المصدر وEليكترونيكمارك(تسمى SOP' أو SOP"), والاتصال بين المصدر والمصرف (المعروف ب SOP)




6. الدور المزدوج لمزود الطاقة

بعض أجهزة USB Type-C يمكن استخدامها كمصدر ومصرف في آن واحد، وتسمى أجهزة تدعم أدوارا مزدوجة (دور مزدوج للطاقة، DRP). أطراف CC1 وCC2 في هذا الجهاز في حالة تناوب بين مستويات عالية ومنخفضة. قبل التوصيل، بمجرد حدوث الاتصال، ستتغير أطراف CC لكليهما، كما هو موضح في الشكل أدناه.


في هذه الحالة، يتم اختيار جهاز DRP على اليسار كمصدر للجهاز، ويتم اختيار جهاز DRP على اليمين كمصدر للمصرف. يمكن أيضا عكس هذا الوضع، إلا إذا تم ضبط جهاز DRP ليكون المصدر أولا (مثل عندما يشغل بواسطة محول طاقة خارجي)، أو تم ضبطه ليغوص أولا (مثل عندما يشغل بالبطارية).

يمكن أن يحدث تبديل أدوار الطاقة أيضا أثناء الاتصال، طالما أن أحد جهازي DRP هو من يبدأ طلب تبديل الأدوار. يوضح الشكل التالي عملية تبديل هذا الدور.






 

حقوق النشر 2019 محفوظة للسم.

روابط: