Зарядка планшета от USB: вопрос остался открытым

13 мая 2013

Зарядка планшета от USB: вопрос остался открытым

Мобильность современных электронных устройств — удо­воль­ствие, оп­ла­чен­ное необходимостью периодически за­ря­жать их аккумуляторы. Обычно это делается с помо­щью специальных зарядных устройств. Но существует аль­тер­на­ти­ва — использовать USB-порты персонального ком­пью­те­ра. Их эксплуатация в режиме зарядного ус­трой­ства оп­ре­де­ле­на спецификацией Battery Charging.

Стала ли спецификация Battery Charging «нормой жизни» в мире мо­биль­ных устройств или остается всего лишь ин­но­ва­ци­он­ным пожеланием? Да­вай­те прикоснемся к этому во­просу, подключив планшет к порту универсальной по­сле­до­ва­тель­ной шины. На­блю­де­ние зарядных процессов станет критерием истины в исследовании готовности персональных платформ быть «станциями переливания тока».

К истории вопроса

Идею универсализации зарядных устройств для мобильных телефонов предложила компания Motorola. Именно ей принадлежит заслуга использовать USB-шину для нужд портативной техники. Благо дело, спецификация USB 2.0 была готова к этому, допуская потребление от порта токов до 500 мА.

Новый индустриальный стандарт для универсальной последовательной шины не только улучшил ее пропускную способность, но и поднял планку потребления тока. Версия USB 3.0 увеличила это значение до 900 mA.

Параллельно развивалась и улучшалась портативная техника: мобильные телефоны стали смартфонами, укомплектованными емкими аккумуляторами. На стыке между смартфонами и ноутбуками появились планшеты — новый класс устройств, требующих автономного питания. Для них стала очевидной необходимость обеспечить рабочие токи от 1.5 A и более.

Попыткой использовать универсализм USB-шины во всех смыслах и стало появление спецификации Battery Charging, регламентирующей процессы потребления токов свыше 900 мА для нужд периферийных устройств.

Примечание.
Подключение нагрузки к любому источнику питания неизбежно приводит к уменьшению или «проседанию» выходного напряжения. USB-порт не исключение. Спецификация USB устанавливает диапазон питающих напряжений от 4.40 до 5.25 Вольт, в котором шина сохраняет свою работоспособность. Забегая вперед, отметим, что для устойчивой зарядки аккумуляторов, требования к порту более жесткие: необходимо обеспечить напряжение не ниже 4.75V в рабочем диапазоне потребляемых токов.

Что такое Battery Charging Specification

Главными предметами стандартизации в документе Battery Charging Specification являются:

1) электрические характеристики цепей питания, а именно, способность USB-порта выдавать повышенные токи и удерживать стабильное напряжение во всем их диапазоне.

Примечание.
График, приведенный ниже, устанавливает лимиты на «проседание» напряжения питания под воздействием тока нагрузки. Допустимый участок отмечен темным цветом. Как видим, спецификация Battery Charging более требовательна к цепям питания, чем спецификация USB.

График, устанавливающий лимиты напряжения при изменениях потребляемого тока

2) протокол, согласно которому заряжаемое устройство распознает поддержку спецификации Battery Charging портом USB.

Идея в том, что устройство подает напряжение Vdat_ref на линию USB2 Data+, а хост в качестве ответной реакции выдает напряжение Vdm_src на линию USB2 Data–. По этой ответной реакции, заряжаемое устройство распознает возможности хоста и получает право на потребление токов, превышающих лимиты, установленные спецификацией USB.

Комментарий.
Подключаясь к USB-порту, заряжаемый девайс использует ламели, предназначенные для информационного обмена по USB 2.0. Как следует из выше сказанного, о своих намерениях он сообщает по линии Data+, а подтверждение от хоста ожидает по линии Data–. Ламели USB 3.0 для схем питания внешних устройств не используются.

Типы портов

Документ Battery Charging Specification устанавливает три основных вида портов.

1) SDP (Standard Downstream Port) — обычный USB-порт со стандартной нагрузочной способностью в пределах 500/900 мА.

2) CDP (Charging Downstream Port) — USB-порт с повышенной нагрузочной способностью до 1.5 A. Параллельно с зарядкой, CDP способен обеспечить обмен по интерфейсам USB 2.0/3.0.

3) DCP (Dedicated Charging Port) — это зарядное устройство без использования информационных сигналов USB-порта. В зависимости от реализации может обеспечивать ток от 1.5 A до 5 A. Заметим, что протокол распознавания такого порта максимально упрощен: в разъеме порта DCP линии USB2 Data+ и USB2 Data должны быть закорочены.

Комментарий.
Напрашивается другой смысл аббревиатуры DCP: Dummy Charging Port, — тупо заряжаем периферию и все!

Начинаем эксперименты

В нашей тестовой лаборатории оказался планшет ASUS Vivo Tab TF600T, укомплектованный штатным зарядным устройством. Для исследования режима зарядки от USB-порта мы использовали USB 3.0 адаптер производства ST Lab на основе xHCI-контроллера Renesas uPD720202.

4-х портовой USB 3.0 адаптер на контроллере uPD720201, производства Renesas Electronics
Четырехпортовый USB 3.0 адаптер производства STLab,
модель U-780, на чипе Renesas Electronics uPD720201K8-701

Опыт первый. Работа со штатным зарядным устройством

С помощью омметра мы обнаружили, что два центральных контакта USB-разъема на зарядном устройстве замкнуты между собой. Это означает, что зарядное устройство поддерживает спецификацию Battery Charging и классифицируется как DCP (Dedicated Charging Port) .

Включив амперметр в разрыв цепи питания Vbus, мы измерили ток, потребляемый планшетом при зарядке. Он равен 900 mA при напряжении +5 В.

Включив специально изготовленный переходник между планшетом и зарядным устройством, мы разорвали цепь, соединяющую линии USB2 Data+ и USB2 Data–. Это должно приводить к невозможности распознавания планшетом режима DCP. Но изменений в потреблении тока мы не обнаружили: планшет не поддерживает протокол распознавания типа порта, описанный в спецификации Battery Charging.

Выключив планшет, мы проверили омметром сопротивление линий USB2 Data+ и USB2 Data– относительно земли на самом высокоомном пределе. Результат — бесконечность. А это значит, что указанные цепи разомкнуты и, следовательно, не содержат каких-либо схем, обеспечивающих распознавание BC-протоколов.

Попытка зарядки планшета в сочетании с док-станцией через наш переходник закончилась неудачно — режим зарядки не работает. Соединение линий USB2 Data+ и USB2 Data– не улучшило ситуацию. Что и не удивительно: в док-станцию встроен дополнительный аккумулятор, — а совместная зарядка нескольких батарей приводит к повышенному потреблению тока. Предположительно, в таком режиме возникает падение напряжения на разъеме и соединительных проводниках. Это означает, что требования к нагрузочной способности и стабильности цепи питания +5V должны быть значительно выше, чем оговорено спецификацией USB.

Опыт 2. Пытаемся заряжаться от USB порта

Как следует из документации, контроллер Renesas uPD720202 поддерживает спецификацию Battery Charging, что позволяет заряжаемому устройству распознать возможности заряжающего устройства или хоста. В предположении, что ток, потребляемый планшетом, будет зависеть от программно установленного BC-режима, была написана небольшая утилита BCTool.EXE. С ее помощью можно управлять регистрами Renesas uPD720202, ответственными за установку режимов, предусмотренных спецификацией BC.

Но при попытке зарядить планшет от USB-порта нас ожидало разочарование: устройство упорно не переходило в режим зарядки. Иногда можно было наблюдать пульсации потребляемого тока, которые, впрочем, не выводили планшет на режим зарядки от USB. Результаты ряда экспериментов со специально изготовленными переходниками говорят в пользу того, что причиной стала банальная недостаточность нагрузочной способности порта. «Проседание» напряжения на линии Vbus, которое не является проблемой для работы обычных USB-устройств, препятствовало включению режима зарядки.

Как следует из результатов первого опыта, планшет не поддерживает распознавание продвинутых возможностей, о которых рапортуют USB-порты контроллера Renesas uPD720202. Это означает, что нашим ожиданиям увидеть изменение потребляемого тока при программной установке BC-режимов Renesas xHCI не суждено было сбыться даже в том случае, если бы отсутствовала проблема с нагрузочной способностью порта.

Опыт 3. Исследуем BC протокол

В ситуации, когда детальное исследование возможностей USB-порта по поддержке спецификации Battery Charging невозможно из-за отсутствия соответствующей периферии, единственной возможностью остается макетирование. Напомним, взаимодействие хоста и подключенного заряжаемого мобильного устройства состоит в том, что мобильное устройство подает напряжение Vdat_ref на линию USB2 Data+, а хост в качестве ответной реакции выдает напряжение Vdm_src на USB2 Data–. По этой ответной реакции заряжаемое устройство распознает BC-возможности хоста.

Для моделирования процесса был собран резисторный делитель, подающий напряжение около 0.5V на линию USB2 Data+ контроллера Renesas uPD720202. Напряжение на линии USB2 Data– контролировалось посредством  вольтметра. Если поддержка BC выключена, на линии USB2 Data– напряжение около нуля, так как линии данных USB заземлены через Pull-down резисторы. С помощью утилиты BCTool.EXE, написанной в нашей тестовой лаборатории, переключаем режим работы порта и наблюдаем результат на вольтметре. При выборе режима CDP на линии USB2 Data– зафиксировано возрастание напряжения до 0.6V, как и должно быть в соответствии со спецификацией BC.

Такой результат, а также наличие дополнительного разъема питания THP-4MR на плате адаптера, свидетельствуют о том, что производитель устройства находится на пути к полноценной поддержке спецификации BC. Осталось обеспечить требования спецификации по мощности цепи +5V, удерживая заданное напряжение при заданном токе в соответствии с графиком, приведенным в начале статьи.

Выводы

Чтобы «светлое будущее», описанное в документе Battery Charging Specification, стало реальностью, разработчикам мобильных устройств и USB-адаптеров потребуется приложить немало усилий. Хотелось бы верить, что производство оригинальных зарядных устройств не станет на пути к внедрению данной спецификации.

Благодарности

«Компостер» благодарен представительству ASUS в Украине за возможность протестировать планшет Vivo Tab TF600T и выражает признательность компании IT-Link за предоставленный USB 3.0 адаптер ST Lab на чипе Renesas uPD720202.