USB Power Delivery: 100W в любом направлении

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.