Разъем pd что это

Всё про USB-C: обеспечение питания

Ориентируясь на высокий интерес читателей к теме разъёмов USB-C, мы публикуем продолжение серии статей, посвящённых различным особенностям этого решения. Текущая публикация познакомит вас с нюансами использованием USB-C для запитывания различных устройств.

Технология USB-C приходит на смену проприетарным круглым разъёмам зарядных устройств, которые мы привыкли использовать для ноутбуков и огромного числа других девайсов. Она соперничает с проприетарными разъёмами телефонных зарядок, постепенно делая их «изгоями» и подталкивая производителей к переходу на использование универсальных широкодоступных решений. Любителям мастерить электронику своими руками больше нет нужды использовать крохотные разъёмы MicroUSB и несоответствующие спецификации кабели, чтобы подать 3 А на свой жаждущий тока Pi 4. Сегодня для этого достаточно иметь гнездо USB-C с двумя резисторами или специальной микросхемой, если резисторы стоящую задачу решить неспособны.

Используя USB-C, вы получаете гораздо большую отдачу от вложенных средств. Это касается и питания, ведь не всем устройствам достаточно 15 Вт – некоторые требуют большего. Об этом и будет наша статья. В ней мы разберёмся, как можно обеспечить для вашего девайса бо́льшую мощность через USB-C.

Прим. пер.: Это новая часть серии, посвященной стандарту USB-C . Остальные доступны здесь:

1. Введение для электронщиков
2. Типы кабелей
3. Механика разъёмов
4. Переходники вне стандарта
5. Резисторы и E-Marker
6. Обеспечение питания< — Вы здесь
7. Высокоскоростные интерфейсы
8. Ноутбук Framework
9. Паяльник Pinecil
10. Грехи производителей
11. Взаимодействие через низкоуровневый протокол PD
12. Ответ через протокол PD

▍ Как получить больше?

Источники питания с USB-C всегда поддерживают 5 В, и некоторые из них этим ограничиваются, но нас также интересует поддержка более высоких напряжений. Для USB-C типичными решениями являются 5 В, 9 В, 15 В и 20 В. Поддержка 12 В является второстепенной и представляет, скорее, условность. Перечисленные уровни напряжения относятся к стандартному диапазону (SPR) и дополняются расширенным диапазоном (EPR), который включает 28 В, 36 В, 48 В – при мощности вплоть до 240 Вт. Для этого требуются новые кабели, зато такое решение является полностью прямо- и обратносовместимым, а также абсолютно безопасным, благодаря проверкам кабелей и устройств, которые позволяет выполнять USB-C.

Зарядка должна поддерживать все перечисленные уровни напряжения, находящиеся ниже её номинала. То есть зарядное устройство на 20 В также должно поддерживать 5 В, 9 В и 15 В. На практике в большинстве случаев так и есть, хотя бывает, что некоторые устройства один-два уровня пропускают. При этом вы также можете получать некие промежуточные значения напряжения, вплоть до 3,3 В, даже при использовании стандарта PD (Power Delivery) под названием PPS (или стандарта AVS для зарядных устройств EPR-диапазона) – это не требование спецификации, но на деле довольно многие БП с USB-C такую возможность обеспечивают, а поддержка PPS обычно указывается в маркировке.

Хотя получить больше 5 В за счёт одних только резисторов не выйдет – потребуется цифровая коммуникация через линию СС при помощи протокола USB PD, который позволяет устройству и БП согласовывать требования по питанию. Это двунаправленный протокол с постоянной скоростью, в котором присутствуют проверки CRC, а также установлены требования ко времени отклика. Используется этот протокол для всех решений с USB-C, в том числе для согласования высокоскоростной передачи. Самое же главное, что USB-C PD имеет огромный потенциал.

Существует огромное число возможностей коммуникации через USB-C, что позволяет нам создавать «умнейшие» устройства. Этот интерфейс очень хорошо продуман. Осуществляемые по нему коммуникации являются прямо- и обратносовместимыми. При этом новые зарядные устройства на 140 Вт EPR с лёгкостью заряжают старые устройства на 60 Вт с соответствующей скоростью, а зарядки на 60 Вт способны неспешно заряжать девайсы на 140 Вт. Возможности USB PD намного шире, чем обеспечение «такого-то тока с таким-то напряжением» — устройства могут опрашивать друг друга на предмет предпочтительной роли мастер/слэйв, обмениваться этими ролями на лету, узнавать состояние зарядки, определять возможности кабеля и делать всё это с оглядкой на безопасность.

▍ Каждому по док-станции

Если вы ещё не оценили всю многогранность этого решения, то позвольте познакомить вас со сложным сценарием, который упрощается с помощью USB-C. Представьте себе док-станцию с портом USB 3, HDMI-портом и гнездом USB-C для зарядки. Если подключить эту станцию к ноутбуку без зарядки, ноутбук подаст на неё ток 1,5 А или 3 А с напряжением 5 В. Одно только это уже оказывается весьма полезным, когда вам одновременно нужен HDMI и дополнительный порт USB 3, а ведь некоторые станции оснащены ещё и Ethernet-портом. В общем, суть в том, что док-станция выступает в роли потребителя энергии, а ноутбук – в роли её источника. Однако эти роли меняются местами, как только мы подключаем к станции высоковольтную зарядку.

Микросхема в гнезде станции обнаруживает зарядное устройство и выступает в качестве посредника, связывая ноутбук и это устройство с помощью PD. При этом она определяет их требования к питанию и возможности. Предположим, ноутбуку требуется ток 3 А с напряжением 20 В, который зарядка без проблем может обеспечить. Промежуточная микросхема попросит ноутбук прекратить подавать 5 В и подготовиться к зарядке от высоковольтного источника. Как только ноутбук это подтвердит, он попросит зарядное устройство поднять напряжение, которое теперь уже будет подаваться ему. Буквально за секунду система полностью перестроилась – вместо работы от выдаваемых ноутбуком 5 В теперь док-станция сама подает этому ноутбуку 20 В от зарядки, попутно получая из этих 20 В питание и для своих нужд.

Такая смена ролей происходит очень быстро – за это время ваши устройства c USB 3 и HDMI не испытают провала в питании, и высокоскоростные взаимодействия не будут прерваны. Напряжение 20 В не подаётся на выводы, предназначенные только для 5 В – в док-станции для этого реализована регуляция питания и стробирование. Станция также будет работать, если ваш ноутбук или телефон не поддерживает вывод видео по USB-C, в случае чего всё, кроме HDMI-порта, будет функционировать штатно. Если же ноутбук не поддерживает зарядку по USB-C, тогда согласование этой процедуры провалится без последствий.

Микросхема док-станции знает бюджет мощности своих портов USB 3 и HDMI, вычитая его из запаса мощности зарядки перед подачей питания на ноутбук. При этом ноутбук точно знает, сколько мощности он способен потребить, и может в рамках этого лимита запитывать всю подключённую периферию, не перегружая зарядное устройство. Если используемое оборудование соответствует стандартам USB-C, то пользователю не нужно предпринимать каких-либо мер предосторожности – риски отсутствуют.

Дополнительно радует, что купить подобную док-станцию можно онлайн всего за 10$. Все описанные выше возможности не являются делом случая или техническим ухищрением – USB-C изначально спроектирован для всего этого и не только. Как потребителю вам больше не нужно покупать ноутбук бизнес-класса, чтобы получить полноценную док-станцию с одним кабелем – многие рядовые ноутбуки и телефоны с гнёздами USB-C для передачи данных и зарядки способны без проблем обеспечить все эти возможности.

▍ Как происходит взаимодействие?

Если вас интересуют тонкости технологических новшеств в потребительской и хакерской сфере, то USB-C однозначно относится к области футуристических технологий. Вы также заслуживаете знать всё о принципах его работы, поэтому приглашаю ознакомиться с основами передачи питания по протоколу Power Delivery.

Предположим, у вас в ноутбуке есть гнездо для зарядного устройства. Это устройство производит подтягивание на линии CC, ноутбук его обнаруживает, и если он поддерживает возможность зарядки по USB-C, то стягивает сигнал на линии CC вниз. После этого зарядное устройство будет обеспечивать 5 В, находясь в готовности получить запрос на более высокое напряжение. Как видите, для получения доступа к более высокому уровню напряжения сначала нужно пройти путём 5 В и аналоговой коммуникации. Установите резисторы 5,1 кОм на контакты CC, получите 5 В и попросите БП подать более высокое напряжение.

Резисторы в процессе коммуникации остаются подключены – в действительности подтягивающий и стягивающий резисторы должны присутствовать постоянно, чтобы зарядка могла продолжать подавать ток, даже при напряжении выше 5 В. Напряжение линии CC используется для того, чтобы БП мог быстро определить отключение и подключение устройства – это помогает обеспечить безопасность, например, уменьшить дугообразование при отключении кабеля и гарантировать выход зарядки из режима подачи высокого тока, чтобы она не спалила очередное подключённое устройство – такая проблема реально присутствовала в некоторых первых зарядных устройствах с USB-C.

Напряжение на шине в состоянии покоя создаётся резисторным делителем

В результате цифровая передача сигнала накладывается на напряжение линии CC. Можно сказать, что PD является полуцифровым протоколом. Эта особенность PD вместе с такими требованиями, как подача напряжения по линии VCONN к неиспользуемому в данный момент контакту для проверки высокоскоростных кабелей или кабелей с поддержкой более 3 А тока, делает проблемным подключение контактов СС к периферии UART и аналогичным устройствам. Однако существуют микроконтроллеры с возможностью подключения периферии по PD – как западного, так и восточного стандартов – а также работающие на этом протоколе микросхемы, которые можно подключить к микроконтроллеру через I2C, если в нём таковая отсутствует.

Возможность взаимодействия по протоколу PD делает USB-C доступным для хакерских манипуляций. Хотя вам не обязательно понимать PD, если вас интересует лишь получение через USB-C высокого напряжения.

▍ Дайте мне двадцать вольт

Вы можете купить подходящую микросхему, которая будет говорить на языке PD за вас. Возможно, вы слышали о «триггерных платах с поддержкой PD» — это небольшие платы с гнездом USB-C, двумя контактами для выхода напряжения, иногда с возможностью делать перемычки припоем и всегда с микросхемой, знающей словарь PD в достаточной степени, чтобы запросить у БП напряжение 20 В или 9 В. Нам знакомы примеры использования хакерами PD-триггеров и микросхем для переделывания старых ноутбуков и более мощных девайсов под получение питания от зарядок с USB-C в случаях, когда производитель явно такое не предполагал.

Кастомная коммутационная плата для CH224K в сборе

Существует много разных триггерных микросхем. Мы видели, как любители успешно использовали IP2721 и недавно экспериментировали с CH224K. Однако большинство из нас просто покупают небольшую плату, где уже всё впаяно, не заморачиваясь с конкретными микросхемами. Тем не менее — если вы надумаете собрать устройство с портом USB-C под высокое напряжение, то ввиду возможного отсутствия товара на складе и прочих похожих ситуаций желательно иметь некоторый выбор.

PD-триггеры не являются идеальным решением для всего. Предположим, вы хотите запитать резистивную нагрузку 8 Ом через USB-C – рассмотрим в качестве примера паяльник, понимающий PD. Его жалу нужно получать 2,5 А тока при 20 В и 1,9 А при 15 В. Зарядка на 60 Вт способна обеспечить 3 А при 20 В, так что без проблем запитает вашу нагрузку, и вы можете спокойно настроить триггер на 20 В, впаяв перемычку. Но вот зарядка на 45 Вт сможет обеспечить лишь 2,25 А при 20 В, и нагрузка 8 Ом заставит её уйти в защиту от токовой перегрузки – в этом случае, несмотря на доступность режима 20 В, вам нужно использовать 15 В.

Подобная логика не закладывается в микросхемы триггерных плат, в связи с чем и появляются проекты вроде PD Buddy Sink, в которых микросхему PD совмещают с микроконтроллером, способным обрабатывать более сложную логику.

На деле триггеры не настроены сообщать вам какую-либо информацию о лимитах по току. Если существует риск его превышения из-за того, что зарядное устройство не может обеспечить 3 А при запрашиваемом платой напряжении, то вам придётся убедиться, что в зарядке реализована защита от токовой перегрузки. Стандарт USB-C требует реализации такой защиты, и большинство производителей этого требования придерживаются. Тем не менее вас вряд ли устроит, если ваше устройство будет переподключаться каждые несколько секунд.

Кроме того, если вам нужен порт с поддержкой режимов мастер/слэйв, работающий с переходниками OTG или, быть может, способный к высокоскоростной передаче, триггер вам не поможет, и вы не можете просто подключить несколько микросхем PD, запрашивающих разные функции, к контактам CC параллельно. Эти ограничения можно попробовать обойти в последующих статьях – сейчас же просто знайте, что триггерные платы имеют чётко определённое место в вашем арсенале USB-C, и они помогут вам в проектах, подразумевающих работу с более высоким напряжением.

▍ Хочу обеспечить двадцать вольт

Что, если у вас есть БП на 20 В с круглым разъёмом, который вы хотите превратить в зарядку с USB-C с тем же напряжением? Тут есть свои нюансы – нельзя просто подать напряжение 20 В на USB-C порт ноутбука и ожидать, что тот будет заряжаться. По факту, если так и сделать, то ноутбук даже может сгореть. В некоторых устройствах от этого есть защита, но мне встречались случаи, когда подобные манипуляции вызывали появление магического дыма, и я не хочу, чтобы такое произошло с вами. Если хотите сделать всё подобающим образом, вам нужно пройти этап согласования по протоколу PD, изначально ограничив подаваемое напряжение пятью вольтами.

В сети продаются переходники, которые могут взять на себя вопрос согласования по PD и обеспечение базовых 5 В без промежуточных шагов, но вы вполне можете обойтись и без них, если знаете, что вашему устройству нужно именно 20 В. Вам также потребуется убедиться, что эти 20 В находятся в подходящем диапазоне. Иногда это проверяет переходник, и порой устройство не возражает. Также есть немало схем БП с USB-C и DC-входом, в которых реализовано активное преобразование – так что ваши БП на 12 В, 19 В и 24 В можно успешно задействовать для устройств с USB-C.

▍ Не всякое питание хорошо

Запитывание устройств по USB-C имеет свои подвохи. Один из них связан с соединением двух портов, поддерживающих режимы мастер/слэйв – например, ноутбука и пауэрбанка. И тот и другой могут либо подавать питание, либо потреблять его для зарядки, и в случае с USB-C они используют для обеих этих функций один порт. В результате — если вы хотите зарядить свой крутой ноутбук от пауэрбанка, то можете удивиться, когда вместо этого ноутбук начнёт заряжать пауэрбанк. То же самое может произойти, если подключить к ноутбуку телефон. Такое случается не очень часто, и некоторые производители пауэрбанков, похоже, научились избегать подобных казусов. Однако другие виды устройств по-прежнему могут быть им подвержены.

На сайте Dell можно найти много подобных забавных историй потребителей, исправляющих проблемы работы своих ноутбуков с устройствами других производителей.

Перевод:
Кейс 2: Ноутбук Latitude 7480, спроектированный под потребление 65 Вт, но по возможности потребляющий до 90 Вт. Если подключить к нему источник питания 30 Вт, он покажет 30 Вт. При подключении 65 Вт — покажет 65 Вт. Если подключить его к док-станции Dell, способной обеспечить до 90 Вт, он покажет 90 Вт. А вот при зарядке этого ноутбука от источника 90 Вт сторонней фирмы он будет показывать 65 Вт, хотя системы других производителей (не Dell) на его месте будут принимать от этого источника корректные 90 Вт.

Кейс 3: Ноутбук XPS 15 9570, спроектированный под потребление 130 Вт. Эта его характеристика фактически выходит за максимальные 100 Вт, установленные спецификацией USB-C. Но инженеры Dell реализовали в нём проприетарное решение, как и в ряде других систем и док-станций (например, WD19TB) на 130 Вт, расширив возможности USB-C для обеспечения данной мощности. Они также выпустили под это дело адаптер питания с USB-C, поддерживающий 130 Вт. Однако если вы подключите этот ноутбук к источнику питания на 90 Вт сторонней фирмы, то он также покажет 65 Вт.

В стандарте USB-C есть положения об обмене информацией относительно уровня заряда батареи, но мне кажется, что им следуют не все. Некоторые устройства, предоставляющие пользователям возможность управления на уровне USB-C, показывают меню, в котором можно эту информацию посмотреть. Такой функционал доступен в некоторых современных телефонах и Chromebook. Пауэрбанки же, имеющие всего одну кнопку управления, и то не всегда, могут такое не поддерживать, как и многие ноутбуки. Так что нам остаётся лишь ждать появления некоего конечного решения, под которое производители будут стандартизировать свои продукты.

USB-C также позволяет использовать цифровые подписи для верификации устройства. Если читать между строк, то здесь попахивает DRM, и так оно и есть. Ряд производителей, особенно из тёмной триады HP/Dell/Lenovo, реализуют средства DRM, которые вызывают в ноутбуке троттлинг ЦПУ при подключении неоригинальной зарядки или кабеля – даже если они обеспечивают те же 100 Вт. Это в некотором смысле разумно, когда в Dell так поступают в случаях передачи 6 А через проверенную комбинацию зарядки, кабеля и ноутбука. Но будем честны, добросовестным решением было бы использовать EPR и 140 Вт, ну а троттлинг непростителен в любом случае.

Что касается ноутбуков – если вы вдруг решите поискать такой, который обеспечивает на своём порту USB-C более 5 В, то желаю удачи. Насколько мне известно, подобных ноутбуков не существует, и вам в таком случае потребуется зарядка или пауэрбанк.

▍ Но все же мы в выигрыше

Для источников питания с переключением режимов нет каких-либо веских причин быть жёстко привязанными к определённому напряжению, и USB-C разрушает эти оковы. Теперь вы можете получить 3 А при 9 В или 20 В от зарядки на заправке или от небольшой дешёвой платы и даже заряжать литий-ионные аккумуляторы от зарядного устройства PPS. В USB-C кроется большой потенциал, и мы только начинаем его осваивать. Постепенно проприетарные разъёмы и зарядки с дурацкими уровнями напряжения полностью вымрут, и мы забудем о них, также как забыли обо всех стандартах телефонных кабелей для передачи данных после появления MicroUSB. Вспомните, сколько проприетарных портов под кабели данных создали в одной только компании Samsung.

Что такое Power Delivery или PD зарядка?

Современные зарядные устройства для телефонов зачастую содержат не совсем понятный простому пользователю мобильной техники термин — Power Delivery. Сокращенный вариант этого словосочетания – PD 2.0 или PD 3.0. Такое можно встретить как в описании, так и в названии зарядного устройства. SmartHUB.by спешит помочь разобраться, что же это такое.

Power Delivery – это технология, обеспечивающая быструю зарядку аккумуляторов современных смартфонов и даже ноутбуков. В частности, эта технология разработана для быстрой зарядки современных телефонов, планшетов и других мобильных устройств iOS / Apple, Android / Google. А цифры (PD 2.0, PD 3.0) обозначают поколение технологии, наивысшая цифра (здесь — 3.0) соответствует более современной, а значит более быстрой и мощной.

Зачем это надо? Всё довольно просто и логично. Аккумуляторы современных гаджетов и девайсов значительно увеличились по объему накапливаемой энергии, соответственно старым зарядным устройством они заряжаются уже до неприличия долго. Например, раньше аккумулятор телефона вмещал всего 1200 mAh, а сейчас пользователи ищут смартфоны с батарейкой от 4000 mAh. Чувствуете разницу? Поэтому и нужны такие технологии как Power Delivery для быстрой зарядки.

Простой пример выгоды. Быстрая зарядка позволяет зарядить iPhone X, iPhone 8 или iPhone 8 Plus до 50% за 30 минут, а iPad Pro – до 50% за 60 минут при использовании кабеля Apple USB-C – Lightning. USB Power Delivery с USB-C заряжает Google Pixel 2 или Google Pixel 2 XL до 50 процентов за 37 минут. Поэтому если вы спешите и вдруг заметили, что в вашем телефоне осталось мало энергии, какое зарядное устройство выберете? Конечно, с USB Power Delivery, ведь даже за 10 минут зарядки оно существенно продлит время его работы.

Ещё о преимуществах Power Delivery (PD). Зарядное устройство с такой технологией способно выдавать мощность заряда и 100W, об этом производитель напишет на упаковки и самом устройстве. А это значит, что оно способно заряжать не только телефоны и планшеты, но даже современные ноутбуки! Для этого нужен лишь правильный кабель (провод) USB Type-C – поддерживающий быструю зарядку. А таких кабелей в нашем Каталоге много, и на любой вкус!

Важно и то, что технология Power Delivery контролирует заряд аккумулятора, получая данные о полноте его заряда и автоматически подбирая необходимую мощность заряда. Также это позволяет не допустить перезарядку аккумуляторной батареи, что продлевает её срок службы.

UCB Power Delivery (PD) используют в современных смартфонах и планшетах такие производители как Apple, Google, LG и многие другие.

Стоит все же подчеркнуть, что не все производители смартфонов используют эту технологию для быстрой зарядки. Например, компания Samsung в своих планшетах и смартфонах использует иную технологию быстрой зарядки — Qualcomm® Quick Charge ™ или, как часто можно увидеть в описании устройств сокращенный вариант названия — QC 2.0; QC 3.0; QC 4.0. Об этой технологии читайте в другой статье SmartHUB.by в закладке На Заметку.

Однако, не забывайте смартфон или планшет, кабель (провод), по которому будет подаваться питание от зарядного устройства в гаджет или девайс тоже должен поддерживать режим быстрой зарядки PD или QC.

Кстати, не стоит огорчаться, если вы вдруг решили, что это всё слишком сложно и вы можете ошибиться с выбором зарядного устройства для вашего любимого смартфона или планшета. В хороших зарядках эти технологии совмещены — PD и QC. Так делают производители качественных аксессуаров для мобильной техники Anker, Baseus и Nillkin, чей товар ценит SmartHUB.by и искренне рад предложить его своим покупателям по низкой цене в Минске и с доставкой по Минску курьером и Белпочтой по всей Беларуси.

А хорошую качественную зарядку купить в Минске или заказать доставку домой или в офис можно по этой ссылке Зарядные устройства.

И вот пример современного мощного зарядного устройства от Baseus аж на 120W, способного заменить собой все зарядные устройства, обеспечивающего быструю зарядку и лэптопов, и смартфонов в вашем доме или офисе.

Оно может заряжать одновременно несколько устройств и поддерживает технологии быстрой зарядки Power Delivery, Quick Charge и другие. Внизу фото производитель подробно указал, с какими популярными устройствами совместима зарядка. А вот ссылка на него — Сетевое зарядное устройство 120 Ватт Baseus GaN Mini C+C+A 120W EU.

Это, конечно, Суперзарядное устройство, но в нашем Каталоге много зарядок попроще и кабелей (проводов) для них, также обеспечивающих скоростную зарядку мобильных устройств. Переходите по ссылке Зарядные устройства и выбирайте качественное зарядное от надёжного производителя. Или просто позвоните по телефонам SmartHUB.by и опытные консультанты помогут Вам сделать правильный выбор!

Магазин качественной современной цифровой техники

Интернет-магазин SmartHUB

ИП Жук Сергей Евгеньевич
УНП 191609002, г. Минск, ул. Есенина, 36-109
Р/с BY51BPSB30133172050189330000 банк ОАО «БПС-Сбербанк» 220005, г. Минск, б-р им. В.Мулявина, 6 БИК BPSBBY2X

Регистрационный номер в Торговом реестре Республики Беларусь 497668 от 02.12.2020 г.

Адрес:

г. Минск, ул. Тимирязева, 127, ТД Ждановичи, «Радиомаркет», Павильон D22.

Стандарт USB Power Delivery: что нужно знать о популярной системе зарядки мобильных устройств

USB Power Delivery уже используется повсеместно в качестве универсального стандарта зарядки смартфонов. В этой статье приводится необходимый минимум технической информации, который нужно знать всем, кто пользуется этим стандартом.

Возможность быстрой подзарядки – всегда очень кстати, когда заряд батареи вашего устройства подходит к концу. Однако при использовании зарядных устройств от сторонних производителей – при огромном разнообразии разъемов и стандартов зарядки (и проприетарных, и лицензируемых) – бывает сложно определить, на какую скорость зарядки можно рассчитывать. Поэтому все гаджеты обычно поставляются в комплекте с фирменными адаптерами, гарантирующими максимально быструю зарядку, но фирменный адаптер из комплекта устройства в нужный момент не всегда оказывается под рукой. Стандарт USB Power Delivery (USB PD) с новейшими спецификациями зарядки от USB Promoters Group призван решить эти проблемы.

USB Power Delivery – это общий универсальный стандарт быстрой зарядки, спецификации которого рассчитаны на любые устройства с USB. USB PD ведет свою историю с 2012 года – с того момента, как был представлен порт USB-C. Да, USB PD используется уже давно. Технология Power Delivery пришла на смену более старой технологии зарядки USB Battery Charging (USB BC), которая была разработана в целях повышения мощности зарядки относительно базовых спецификаций порта USB. Таким образом, USB Power Delivery – это уже третья версия технологии зарядки устройств через USB-порты, которая отличается большей гибкостью профиля мощности зарядки (за счет расширения диапазона опций напряжения), что позволяет обеспечить оптимальную скорость зарядки конкретного устройства.

Мы предлагаем вашему вниманию основные технические сведения о стандарте USB Power Delivery, которые нужно знать, чтобы пользоваться USB-зарядкой гаджетов более грамотно.

USB Power Delivery: краткий ликбез

Современные порты USB-C – это сами по себе сложные устройства, поддерживающие несколько уровней мощности зарядки. Нужный уровень мощности – это как раз то, что обеспечивают фирменные зарядные устройства, идущие в комплекте с гаджетами.

Во-первых, все порты USB поддерживают самый базовый (минимальный) уровень мощности зарядки – на напряжении 5 В током до 500 мА; более продвинутые современные порты поддерживают опцию 5 В, 900 мА. Эти уровни базируются на исходных спецификациях USB и обеспечивают зарядку – очень медленную для любого устройства, за исключением самых маломощных. Порты USB-C могут поддерживать зарядный ток 1.5 и 3 A на напряжении 5 В, обеспечивая мощность до 15 Вт – устройство будет заряжаться быстрее, но все равно довольно медленно по сравнению с той скоростью, которую предлагают другие стандарты быстрой зарядки.

Зарядка USB Power Delivery – намного мощнее: поддерживается мощность до 100 Вт, что позволяет заряжать самые требовательные устройства, включая ноутбуки. К тому же эта технология безопаснее, поскольку заряжаемое и заряжающее устройство взаимодействуют друг с другом через USB-кабель, который гарантирует оптимальную для данного гаджета мощность зарядки. Подтверждение установления связи между устройствами подразумевает также настройку напряжения зарядки на наиболее подходящий уровень – 5, 9, 15 или 20 В – что позволяет получить на выходе мощность в диапазоне от 0.5 до 100 Вт. Новый стандарт программируемой подачи питания USB Power Delivery Programmable Power Supply (USB PD PPS) позволяет, кроме того, регулировать в процессе зарядки сами уровни зарядного напряжения, обеспечивая максимально эффективную оптимизацию режима зарядки. Если два устройства отказываются устанавливать связь при подходящем уровне мощности, USB Power Delivery по умолчанию переходит к «ближайшей» опции режима зарядки, поддерживаемой релевантным USB-протоколом, например, USB-C 1.5 A.

В таблице ниже приведены спецификации (номинальное напряжение и максимальный ток) режимов USB-зарядки в порядке понижения уровня технологии

USB Power Delivery в настоящее время широко используется для быстрой зарядки смартфонов, ноутбуков и других гаджетов, в числе которых – мобильные телефоны Google Pixel, смартфоны Samsung Galaxy S и телефоны и ноутбуки Apple (iPhone и MacBook). Этот стандарт зарядки также поддерживает множество смартфонов других марок, часто – в дополнение к более быстрому проприетарному стандарту фирмы-производителя.

Сравнение версий USB Power Delivery

На текущий момент стандарт USB Power Delivery насчитывает три версии, которые рассчитаны на устройства, несколько отличающиеся по своим возможностям. Хотя современные версии стандарта обладают обратной совместимостью по отношению к старшим моделям, которые могут выступать и в качестве заряжаемых, и в качестве заряжающих устройств.

Технология первого поколения USB PD 1.0 по сравнению с современной версией выглядит уже немного примитивной. Она просто предлагает шесть фиксированных профилей мощности для различных категорий устройств. Поддерживаются следующие опции: 10 Вт (5 В, 2 A), 18 Вт (12 В, 1.5 A), 36 Вт (12 В, 3 A), 60 Вт (12 В, 5 A), 60 Вт (20 В, 3 A) и 100 Вт (20 В, 5 A). Это хорошо, но не позволяет точно подстроиться под ряд устройств, в числе которых – смартфоны с небольшой емкостью батареи, предпочитающие зарядку на меньшем напряжении.

В более современных версиях USB Power Delivery 2.0 и 3.0 вместо этих фиксированных профилей применяются более гибкие: опции напряжения зарядки остаются фиксированными, зато согласуемый с заряжаемым устройством зарядный ток может варьироваться в достаточно широких пределах. В результате мы получаем гораздо более гибкий стандарт, который лучше подходит для широкого диапазона устройств. Версия USB Power Delivery 3.0 также расширяет коммуникационный протокол, который теперь поддерживает такие фишки, как передача информации о батарее устройства-приемника зарядной мощности устройству-источнику, усиленная защита данных и возможность быстрой смены функциональных «ролей» приемника и источника зарядки (Fast Role Swapping).

Мощность зарядки USB PD, Вт	Фиксированное напряжение зарядки, В	Согласуемый ток зарядки, А	Примеры устройств
От 0.5 до 15	5	От 0.1 до 3.0	Наушники, мелкие аксессуары с USB
От 15 до 27	9	От 1.67 до 3.0	Смартфоны, фото- и видеокамеры, дроны
От 27 до 45	15	От 1.8 до 3.0	Планшеты, компактные ноутбуки
От 45 до 100	20	От 2.25 до 3.0 – через любой USB-кабель. От 3.0 до 5.0 – только через USB-кабель соответствующего номинала	Большие ноутбуки, дисплеи

Большинство современных смартфонов поддерживает спецификации USB Power Delivery 2.0 и 3.0 (в том или ином виде). Типовая мощность зарядки смартфонов – 18 Вт, ноутбуков – 60 Вт. Некоторые смартфоны, использующие USB PD в качестве основной технологии быстрой зарядки, могут заряжаться немного быстрее (с большей мощностью).

Технология USB Power Delivery Programmable Power Supply

Несмотря на усовершенствование стандарта в версиях USB Power Delivery 2.0 и 3.0, они все-таки не полностью удовлетворяют требованиям к гибкости конфигураций зарядной мощности, которая обеспечивала бы еще более быструю зарядку устройств. Скорость зарядки батареи – это величина, чувствительная к значениям зарядного напряжения, что, в свою очередь, обусловлено наличием оптимума у зарядного тока, на который рассчитана данная батарея. Стандартный набор опций напряжения – 5, 9, 15 и 20 В – не всегда обеспечивает оптимальный режим для максимально быстрой зарядки.

Версия USB Power Delivery 3.0, вышедшая в 2018 году, включает в себя, помимо прочего, протокол программируемой подачи питания Programmable Power Supply (USB PD PPS). USB PD PPS обеспечивает намного более гибкие режимы зарядки – благодаря возможности настройки дискретных уровней зарядного напряжения с очень маленьким шагом (20 мВ). Это – в сочетании с двусторонней коммуникацией между заряжаемым и заряжающим устройствами и применением специальных алгоритмов управления зарядным напряжением – позволяет установить оптимальное согласованное динамическое зарядное напряжение, которое даже можно изменять в ходе зарядки. Поэтому USB PD PPS для быстрой зарядки подходит намного лучше, чем обычный протокол USB PD.

Протокол USB PD PPS, как более новая часть стандарта, в 2021 году поддерживается только небольшой группой гаджетов и зарядных устройств. Эта поддержка постепенно расширяется, особенно в сегменте зарядных устройств, но пока новейшие спецификации вводят пользователей в некоторое замешательство. Например, устройства серии Samsung Galaxy S21 могут заряжаться максимально быстро (в своем режиме полной мощности зарядки 25 Вт) только от зарядных устройств USB PD PPS. А во всех остальных случаях, когда используются обычные зарядные устройства USB PD, пользователям приходится довольствоваться менее быстрой зарядкой с мощностью 18 Вт.

Насколько быстро работает USB Power Delivery?

С учетом большой вариативности, с одной стороны, профилей мощности зарядки USB PD, а с другой – емкостей батарей заряжаемых устройств, назвать какую-то общую цифру, характеризующую скорость зарядки по данному стандарту, невозможно. Тем не менее, по статистике, телефоны с большой емкостью батареи, используя опцию USB Power Delivery 18 Вт, обычно полностью заряжаются чуть более чем за час. На зарядку больших ноутбуков, использующих опцию 60 Вт, в среднем уходит от одного до двух часов.

В отличие от ноутбуков, смартфоны предпочитают заряжаться не на самых высоких напряжениях. Как правило, быстрая зарядка батарей смартфонов осуществляется высоким током на напряжении 5 или 9 В. Например, технология зарядки OnePlus 65 Вт работает с напряжением 10 В и током 6.5 A, технология Huawei 40 Вт – с близкими значениями 10 В и 4 A. Оба эти примера представляют проприетарные технологии зарядки.

Ближайшая опция напряжения USB PD – 9 В, которая (см. таблицу выше) при максимальном для нее токе дает мощность зарядки 27 Вт, что очевидно будет много медленнее. Большинство смартфонов с USB Power Delivery фактически не используют максимальный ток зарядки 3 A, со своей стороны ограничивая мощность зарядки до 18-20 Вт. Именно поэтому быстрейшая зарядка смартфонов по-прежнему базируется на проприетарных технологиях.

С точки зрения универсальной опции для быстрой зарядки USB PD PPS выглядит более перспективным. Samsung Galaxy S21 заряжается с мощностью 25 Вт, используя напряжение PPS 9.5 В. Кроме того, Samsung реализует более мощный режим зарядки USB PD PPS 45 Вт в серии Galaxy Note 10 Plus, то есть технически этот стандарт можно использовать для быстрой зарядки. Однако Samsung, по-видимому, пока не собирается продолжать внедрение столь мощной зарядки в своих устройствах, возможно, потому, что быстрая зарядка представляет собой слишком сильную нагрузку для типовой батареи телефона.

Хотя проприетарные технологии в части увеличения скорости зарядки идут еще дальше: для зарядки своих смартфонов Oppo уже предлагает мощность 100 Вт, Xiaomi – 120 Вт. В рамках текущих спецификаций USB PD и PPS вряд ли будут конкурировать с такими скоростями, однако здесь уже начинают играть роль соображения оптимального соотношения скорости зарядки и энергопотребления. Мощности 40 Вт вполне достаточно, чтобы смартфон зарядился очень быстро.

Удобство использования и экологичность

Хотя скорость зарядки – важная составляющая стандарта USB Power Delivery, и в особенности PPS, это не главная цель, с которой он разрабатывался. USB PD разрабатывался прежде всего как простой стандарт для зарядки самых разнообразных устройств с USB, который позволяет обойтись без проприетарных портов, коннекторов и вилок.

Во-первых, это существенно упрощает задачу в тех случаях, когда пользователю надо просто зарядить свой гаджет, воткнув его куда-нибудь. Еще один положительный момент – производителям гаджетов не нужно будет выпускать новое зарядное устройство для каждой новой модели. Выбрасывание старых зарядных устройств и кабелей уже представляет собой большую проблему, не только с точки зрения засорения окружающей среды, но и с точки зрения безвозвратной потери драгоценных металлов и других ограниченных ресурсов. Это серьезные основания для того, чтобы всем – и пользователям, и производителям мобильных устройств – перейти на унифицированную стандартную технологию зарядки гаджетов, примером которой может служить USB Power Delivery.

Фирменные смартфоны без традиционных адаптеров в комплекте на сегодняшний день могут выглядеть спорным решением. Поскольку не у всех пользователей есть совместимое зарядное устройство USB PD PPS. Но в перспективе мы, возможно, и не заметим отсутствия проприетарного зарядного устройства в комплекте нового гаджета, потому что все наши гаджеты будут быстро заряжаться от универсального зарядного устройства, которое будет у каждого пользователя. В любом случае – это интересно.

100 ватт по USB или как работает Power Delivery

Почитав вот этот пост и сопутствующую ему дискуссию, я решил попробовать внести ясность в то, что такое USB Power Delivery и как это работает на самом деле. К сожалению у меня сложилось впечатление, что большинство участников дискуссии воспринимают 100 ватт по USB слишком буквально, и не до конца понимают что за этим стоит на уровне схематики и протоколов.

Итак, кратко – основные пункты:

• USB PD определяет 5 стандартных профилей по электропитанию – до 5V@2А, до 12V@1.5А, до 12V@3А, до 12-20V@3А и до 12-20V@4.75-5А
• Кабели и порты для Power Delivery сертифицируются и имеют дополнительные пины в разьеме
• Тип кабеля и его соответствие профилю определяются автоматически через дополнительные пины и определение типа USB коннектора (микро, стандарт, A, B и т.д.)
• Обычные USB кабели (не Power Delivery) сертифицируются только по первому профилю до 5V@2A
• При подключении распределяются роли, между тем кто дает ток (Source / Источник ) и кто потребляет (Sink / Приемник)
• Источник и Приемник обмениваются сообщениями по специальному протоколу, который работает параллельно традиционному USB
• В качестве физического носителя протокол использует пару – VBus / GND. Именно поэтому Power Delivery не зависит от основного USB протокола и обратно совместим с USB 2.0 и 3.0
• Используя сообщения, источник и приемник могут в любой момент времени меняться ролями, изменять силу тока и/или напряжение, уходить в спячку или просыпаться, и т.д.
• По желанию устройства могут поддерживать управление PD через традиционные USB запросы, дескрипторы и т.д.

О кобелях Про кабели

USB Power Delivery работает с шестью типами коннекторов:

1. USB 3.0 PD Standard-A USB 3.0 PD Standard-B plug
2. USB 3.0 PD Standard-A USB 3.0 PD Micro-B plug
3. USB 3.0 PD Micro-A USB 3.0 PD Micro-B plug
4. USB 3.0 PD Micro-A USB 3.0 PD Standard-B plug
5. USB 2.0 PD Standard-A USB 2.0 PD Standard-B plug
6. USB 2.0 PD Standard-A USB 2.0 PD Micro-B plug
7. USB 2.0 PD Micro-A USB 2.0 PD Micro-B plug
8. USB 2.0 PD Micro-A USB 2.0 PD Standard-B plug

Про порты

После сертификации USB PD порты маркируются следующим образом:

Данное лого информирует о версии USB (2.0 или 3.0 SuperSpeed), а также о профилях электропитания которые поддерживает данный порт. Значение ”I” означает потребляемый профиль, необходимый для полноценного функционирования устройства, а значение «О» то какой профиль порт может предоставить. Примеры маркировки портов:

• Первый порт поддерживает USB2. Он может давать питание по Профилю 1 ( 2A@5V) и использует Профиль 3 ( 5V@2A или 12V@3A) для полноценного функционирования. Например порт для планшета или нетбука.
• Второй порт поддерживает USB2. Он может давать питание по Профилю 2 (2A@5V или 12V@1.5A) и использует Профиль 4 ( 5V@2A или 12V@3A или 20V@3A) для полноценного функционирования. Например порт для ноутбука или лаптопа.
• Третий порт поддерживает USB3. Он только дает питание по Профилю 1 (5V@2A). Сам он по VBus не запитывается. Например порт десктопа, монитора, телевизора, и т.д.
• Четвертый порт поддерживает USB3. Как и в первом примере он может давать питание по Профилю 1 (5V@2A) и сам требует питание по Профилю 3 для полноценного функционирования (5V@2A или 12V@3A). Пример придумайте сами 🙂

Физический канал

USB PD определяет принципиальную схему физической организации соединения посредством кабеля следующим образом:

Как видно из схемы, USB PD также требует чтобы и в источнике и в приемнике были реализованы схемы определения падения/скачка напряжения, а так же методы определения разряженной батареи для случаев когда одна из сторон не может запитаться от своего внутреннего источника.

В качестве алгоритмов для определения разряженной батареи предлагаются следующее. Если одна из сторон выставляет сопротивление в 1кОм между экраном и землей, это свидетельствует о том что ее батарея разряжена. В такой ситуации другая сторона берет на себя роль источника и начинает отдавать минимальные 5В, чтобы дать через VBus питание противной стороне и начать обмен сообщениями по протоколу USB PD.

Как уже упоминалось ранее, для обмена сообщениями USB PD протокол использует линию VBus. Ниже приведена блок-схема, определяющая ключевые функциональные элементы передатчика:

И соответственно такая же блок-схема для приемника:

Сериализированная кодировка 4b5b и декодировка 5b4b подразумевает что все данные по шине, кроме преамбулы пакета, передаются пятибитными последовательностями в соответствии c таблицей кодировки, определяемой стандартом. Каждая такая последовательность кодирует либо одну из 16 цифр (0x00..0x0F), либо сигналы начала / синхронизации / сброса и конца пакета. Таким образом передача одного байта занимает 10 бит, 16-битного слова – 20 бит и 32-битного двойного слова – 40 бит и т.д.

Логический канал

USB PD протокол основывается на последовательных парах типа запрос-ответ. Запросы и ответы пересылаются с использованием пакетов. Пакеты состоят из преамбулы (фаза подготовки к передаче), начала пакета SOP (три сигнала Sync-1 и завершающий Sync-2 в кодировке 4b5b), заголовок, 0..N байт полезной нагрузки, контрольной суммы (CRC-32) и сигнала конца пакета (одиночный сигнал EOP):

Как было упомянуто выше, преамбула не кодируется в 4b5b. SOP, CRC и EOP кодируются 4b5b на физическом уровне, заголовок и полезная нагрузка кодируются на уровне логического протокола.
Сброс шины производится путем посылки трех сигналов RST1 и завершающего сигнала RST2, в соответствии с кодировкой 4b5b.

Протокол

Все USB PD сообщения состоят из заголовка и порции данных произвольной длины. Сообщения либо генерируются на уровне логического протокола и затем пересылаются на физический уровень, либо принимаются на физическом уровне и затем пересылаются на уровень логического протокола.

Заголовок сообщения имеет фиксированную длину 16 бит и состоит из следующих полей:

Сообщения бывают двух видов – управляющие (control) и информационные (data).

Управляющие сообщения

Контрольные сообщения состоят только из заголовка и CRC. Количество объектов данных для таких сообщений всегда устанавливается в 0. Типы управляющих сообщений USB PD представлены в таблице ниже:

Отдельно следует упомянуть что поля вида tSourceActivity, tSinkRequest и т.д. — это константы, значения которых глобально заданы самой спецификацией в отдельной главе. Сделано это потому что они определялись опытным путем в результате прототипирования, и найденные оптимальные значения просто подставили в отдельную главу, чтобы не рыскать по всей спецификации.

Информационные сообщения

Данный вид сообщений предназначен для получения детальной информации об источнике или приемнике, а также для передачи запрашиваемых характеристик электропитания – сила тока, напряжение и т.д. Информационные сообщения всегда содержат ненулевое значение в поле ”Number of Data Objects”.

Спецификация определяет четыре вида информационных сообщений:

• Power Data Object (PDO) – используется для описания характеристик порта источника или требований приемника
• Request Data Object (RDO) – используется портом приемника для установки соглашения по характеристикам электропитания
• BIST (Built In Self Test) Data Object (BDO) – используется для тестирования подключения на соответствие требованиям спецификации для физического соединения
• Vendor Data Object (VDO) – используется для передачи нестандартной, дополнительной или иной проприетарной информации определяемой производителем оборудования и выходящей за рамки спецификации USB PD.

Виды информационных сообщений кодируются в поле ”Message Type” заголовка сообщения следующим образом:

Сообщение о характеристиках

Порт источника всегда обязан сообщать свои характеристики приемнику путем передачи серии 32-битных объектов PDO. Информация переданная посредством этих объектов используется для определения возможностей источника, в том числе включая возможность работать в режиме приемника.
Сообщения о характеристиках представляются в виде одного или нескольких объектов следующих за заголовком:

• От источника к приемнику через определенный временной интервал, при непосредственном подключении кабеля. Источник должен продолжать посылать сообщения на протяжении одной минуты после подключения до тех пор пока не будет установлено успешное соглашение по электропитанию, либо приемник не вернет RDO с флагом Capability Mismatch – несоответствие характеристик.
• От источника к приемнику с целью принудительного переустановления соглашения по электропитанию или смены характеристик.
• В ответ на управляющие сообщения Get_Source_Cap или Get_Sink_Cap

PDO соответствующий элементу с постоянным типом электропитания 5V всегда должен идти первым в цепочке объектов.

Структура объекта PDO:

Для каждого типа электропитания предлагаются различные характеристики.

Постоянный тип электропитания, напряжение постоянное. Источник должен иметь хотя бы один такой элемент:

Программируемый тип электропитания, напряжение может регулироваться путем запросов в пределах между минимальным и максимальным:

Вариативный тип электропитания, напряжение может изменяться в заданных пределах абсолютного минимума и абсолютного максимума, но не может регулироваться:

Батарея, данный тип используется для обозначения батарей которые могут быть напрямую подключены к линии VBus:

Сообщение о запросе

Сообщения о запросах передаются приемником к источнику для передачи своих требований в фазе установления соглашения по электропитанию. Данное сообщение посылается в ответ на сообщение о характеристиках и должно содержать один и только один объект запроса данных – RDO, который описывает информацию о требуемых характеристиках электропитания для приемника.

Данный запрос имеет два типа, в зависимости от адресуемого типа элемента электропитания, переданного в сообщении о характеристиках источника. Для запросов к элементу электропитания постоянного или вариативного типа, либо батареи поля ”Operating Current / Power” и ”Total Current / Prog Voltage” интерпретируются одним путем, а для запросов к элементу программируемого типа – другим путем, так как в этом случае запрашивается и напряжение, и сила тока.

Структура объекта RDO:

На мой взгляд данной информации достаточно, чтобы получить хорошее представление о принципах работы USB Power Delivery. Я сознательно не стал углубляться в дебри, связанные с таймерами, счетчиками и обработкой ошибок.

Взаимодействие с традиционным USB

Как уже было упомянуто выше, Power Delivery – это самостоятельная подсистема, которая функционирует параллельно и независимо от канонического USB. Тем не менее, в случаях когда устройства реализуют оба протокола – и USB и Power Delivery, спецификация рекомендует реализацию т.н. System Policy Manager или SPM, компонента который может контролировать оборудование USB PD посредством традиционных запросов USB.

Для систем с поддержкой SPM, спецификация рекомендует предоставить PD информацию посредством специальных типов USB дескрипторов. Не считаю нужным в них детально углубляться, просто перечислю их названия:

• Power Delivery Capability Descriptor, является составной частью BOS дескриптора и сообщает о том поддерживает ли устройство зарядку батареи через USB, поддерживает ли оно стандарт USB PD, может ли оно выступать источником питания, и может ли оно быть приемником. Кроме того данный дескриптор содержит информацию о количестве портов-источников, портов-приемников и версии поддерживаемых спецификаций USB Battery Charging и Power Delivery.
• Battery Info Capability Descriptor, требуется для всех устройств заявивших батарею в качестве одного из элементов электропитания. Содержит информацию о названии, серийном номере и производителе батареи, ее емкости, а также о пороговых значениях тока в заряженном и разряженом состоянии.
• PD Consumer Port Capability Descriptor, требуется для всех устройств которые заявили поддержку хотя бы одно порта-приемника. Содержит информацию о поддержке стандартов Power Delivery и Battery Charging, минимальное и максимальное напряжение, операционную мощность, максимальную пиковую мощность и максимальное время, которое оно может эту пиковую мощность потреблять
• PD Provider Port Capability Descriptor, требуется для всех устройств которые заявили поддержку хотя бы одного порта-источника питания. Содержит информацию о поддержке стандартов Power Delivery и Battery Charging, а так же список всех PDO объектов, характеризующих элементы электропитания доступных устройству.
• PD Power Requirement Descriptor, требуется для всех устройств-приемников поддерживающих USB PD. Каждое устройство должно возвращать хотя бы один такой дескриптор в составе дескриптора конфигурации. Этот дескриптор должен идти сразу после первого дескриптора интерфейса. В случае когда их несколько, он должен идти после каждого первого дескриптора интерфейса функции, если используется IAD, или в случае композитного устройства без IAD, непосредственно после каждого дескриптора интерфейса, и до endpoint дескрипторов.

Для управления USB Power Delivery через запросы USB, в случае если устройство поддерживает Power Delivery класс, спецификация предлагает команды, которые могут использоваться для передачи PD запросов и объектов посредством USB, то есть через шину данных. Сводная таблица дана ниже:

Заключение

Надеюсь что данным постом я подогрел интерес публики к USB Power Delivery. Скромно замечу, что автор имеет непосредственное отношение к данной спецификации, поэтому готов ответить на любые вопросы по Power Delivery в частности и USB в общем.