Главная мотивация появления USB Power Delivery Specification, как индустриального стандарта, достаточно проста: расширить функциональность универсальной последовательной шины и ее нового разъема USB Type-C, превратив их в двунаправленную цепь для приема и передачи электропитания. Этой инициативе уже несколько лет, но реально она стала воплощаться в жизнь только сегодня, в связи с поголовным переходом мобильных платформ на питание от USB.
История эволюции
Согласно нормативным документам, типовая максимальная мощность ограничена значением около 100 ватт.
Рис.1 Эволюция стандартов USB-шины и мощности ее силовых цепей:
USB PD делает возможной передачу 100 ватт электрической мощности, как 20 вольт * 5 ампер
Чтобы снизить потери мощности на сопротивлении соединительных проводников и разъемных соединениях, напряжение увеличено до 20 вольт, ведь при более высоком напряжении, заданную мощность можно передать меньшим током. Значение 20 вольт выбрано не случайно, для внешнего блока питания ноутбука это напряжение близко к типовому.
Рис. 2 Блок питания ноутбука ASUS Zenbook 3 с USB-интерфейсом и разъемом Type-C
Другим важным свойством PD-совместимых устройств является возможность двунаправленной передачи питания. Ограничение, согласно которому USB-хост может быть только источником питания, а подключаемая периферия всегда является его потребителем, также снимается. Роли устройств, с точки зрения обмена данными по USB и передачи электропитания становятся взаимно независимыми, причем, шаги в данном направлении индустрия предпринимала еще до появления разъема USB Type-C.
Разъем USB Type-C
Большинство сигналов нового коннектора функционально соответствуют одноименным цепям его многочисленных предшественников.
Рис. 3 Один из вариантов установки разъема USB Type-C на печатной плате:
различная длина ламелей определяет последовательность коммутации цепей при подключении и отключении
Рис. 4 Расположение контактов в разъеме USB Type-C
Зеркальное соответствие между двумя линиями, каждая из которых соответствует одному порту, не случайно. Допускается прямое и перевернутое подключение разъема. Сигналы этого интерфейса, являющегося фундаментом для реализации PD-возможностей, следует рассмотреть подробнее.
GND (Ground) — это земля или общий провод. Линия питания VBUS, по умолчанию передает напряжение 5 вольт, которое после обмена квитирующими сообщениями может увеличиваться до 12 либо 20 вольт. Точнее, спецификация не лимитирует выходное напряжения двумя этими величинами, напряжение задается с шагом 50 mV, а лимит потребления с шагом 10 mA. Но индустрия, с целью упрощения схемотехники регуляторов напряжения, пошла по пути ограничения набора значений параметров. Силовые цепи земли и питания, традиционно продублированы несколькими контактами, при передаче 100 ваттной мощности это особенно важно.
Линии данных в виде дифференциальной пары D+, D- задействованы при передаче информации на скоростях, соответствующих первому и второму поколениям шины: Low-Speed (1.5Mbps), Full-Speed (12Mbps) и High-Speed (480Mbps). Эти же линии используются для аналогового квитирования между заряжающим и заряжаемым устройствами согласно Battery Charging Specification. Линии данных в виде раздельных дифференциальных пар для приема и передачи сигналов (RX+, RX-, TX+, TX-), используются для реализации скоростных режимов USB 3.1: Super Speed (5Gbps), SuperSpeedPlus (10Gbps).
Цепи Configuration Channel (CC) обеспечивают коммуникацию между источником и потребителем электропитания, с целью согласования уровня напряжения и допустимого потребляемого тока. Эти сигналы также используются для распознавания прямого и перевернутого подключения разъема, что необходимо при управлении мультиплексорами сигналов порта. Зарезервированные сигналы Sideband Use (SBU) могут использоваться по усмотрению разработчиков платформы.
Нетрудно заметить, что новшествами, характерными для разъема USB Type-C, являются линии Configuration Channel и Sideband Usage, а также возможность увеличения напряжения питания до 20 вольт на линии VBUS. Для передачи управляющей информации по линии CC (Configuration Channel) используется система, подобная манчестерскому коду и называемая Bi-Phase Marked Encoding and Decoding (BMC). Набор передаваемых сообщений определяется согласно Power Delivery Specification и несет информацию о возможностях источников электропитания и требованиях его потребителей.
Рис. 5 Пример передачи последовательности битов методом BMC
Как видно из диаграммы, логической единице соответствует наличие переключения, логическому нулю соответствует отсутствие переключения в середине битового интервала. На границах битовых интервалов переключение происходит всегда.
Контроллер Power Delivery
В качестве примера реализации контроллера Power Delivery рассмотрим микросхему TPS65982 разработки Texas Instruments.
Рис. 6 Блок-схема контроллера Power Delivery TPS65982 для USB Type-C, производства Texas Instruments
Контроллер состоит из следующих узлов:
- Digital Core как центральная схема управления координирует работу всех узлов контроллера и обеспечивает взаимодействие с процессором мобильной платформы.
- Port Data Multiplexer коммутирует информационные сигналы USB портов, включая обеспечение адаптации к прямому и обратному подключению разъема USB Type-C.
- Подсистема, обозначенная как Cable/Device Detect, Cable Power and USB-PD Phy определяет тип подключения разъема (прямое или обратное) и поддержку функциональности при полностью севшей батарее либо ее отсутствии (Dead Battery).
- Блок Power Management and Supervisors содержит внутренние источники напряжений, необходимые для работы контроллера, датчики температурной защиты, формирователи сигналов сброса.
- Узел External FET Control and Sense управляет силовыми ключами с целью выбора напряжения питания в соответствии с результатами детектирования конфигурации. Силовые коммутаторы в этом узле являются исполнительным механизмом при выборе напряжения питания. Они снабжены датчиками тока и термозащитой.
В этом примере подразумевается решение, при котором линии +5V 3A (синий маркер), а равно +12V 3A (зеленый маркер) коммутируются внутренними ключами микросхемы, в то время как для мощной линии +20V 5A (красный маркер), используются внешние ключи на дискретных транзисторах.
Вместо послесловия
Расширение функциональности USB-подсистемы и, как следствие, устранение отдельного разъема питания, безусловно, явление ожидаемое и логичное. Вместе с тем, программно управляемая коммутация напряжений в достаточно широком диапазоне, вызывает немало вопросов.
Возможна ли авария питания в результате программного сбоя или действий вредоносного программного обеспечения? Очевидно, наихудшим сценарием будет подключение напряжения 20 вольт к нагрузке, для которой нормой является 5 вольт. Надо отметить, что мера защищенности от подобных ситуаций недостаточно четко устанавливается нормативными документами и во многом зависит от доброй воли разработчика Power Delivery контроллеров и мобильных платформ на их основе.
Еще одним плодом экстремальной экономии явилось совмещение в одной микросхеме силовых ключей и сигнальных цепей USB-портов, что также повышает вероятность попадания высокого напряжения 20 вольт в низковольтные цепи цифровой логики.
С другой стороны, при грамотной разработке цепей универсальной последовательной шины, возможен принципиально иной результат имплементации PD. Аппаратная валидация команд управления силовыми ключами, схемотехническое и конструктивное разделение силовых и управляющих цепей, может сделать Power Delivery дополнительным фактором защищенности устройства, разделяющим системную логику, USB-контроллер и внешние цепи.
Источники информации
Рассмотренный в статье Power Delivery контроллер TPS65982 для USB-интерфейса на основе разъема USB Type-C, является одним из частных случаев реализации Power Delivery Specification. Сфера действия десятков нормативных документов весьма обширна и не ограничивается данным видом интерфейса и рядом напряжений: 5, 12 и 20 вольт.
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы оставлять комментарии