100 ватт по USB или как работает Power Delivery

в 13:56, , рубрики: Power Delivery, usb, будущее здесь, Железо, Энергия и элементы питания, метки: , ,

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 профиля по электропитанию – до 5V@2А, до 12V@1.5А, до 12V@3А, до 12-20V@3А и до 12-20V@4.75-5А
  • Кабели для Power Delivery сертифицируются и имеют дополнительные пины в разьеме
  • 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.

Под катом — детали.

О кобелях Про кабели

Как видно из приведенных официальных логотипов которыми должны маркироваться PD порты, USB Power Delivery работает с шестью типами коннекторов:

100 ватт по USB или как работает Power Delivery

Соответственно попарно допустимы следующие виды кабелей.

  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

Отдельно стоит заметить что спецификация прямо запрещает извращения с несколькими коннекторами на одной их сторон соединительного кабеля, что достаточно логично, учитывая токи до 100 ватт. С другой стороны использование переходников и адаптеров не возбраняется при условии что они соответствуют профилю электропитания, и не закорачивают экран кабеля на его землю.

Про порты

USB PD порты должны быть промаркированы следующим образом:

100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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:

100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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:

100 ватт по USB или как работает Power Delivery

И соответственно такая же блок-схема для приемника:

100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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):

100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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.

100 ватт по USB или как работает Power Delivery

Заголовок сообщения имеет фиксированную длину 16 бит и состоит из следующих полей:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

Сообщения о характеристиках передаются:

  • 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

Каждый объект PDO должен характеризовать отдельный элемент электропитания, входящего в состав устройства на максимально допустимых для него значениях напряжения. Например, встроенная батарея 2.8-4.1V, стационарный блок питания 12V и т.д. Все элементы электропитания должны поддерживать как минимум 5V и соответственно каждый источник должет иметь хотя бы один PDO соответствующий профилю с характеристиками 5V.

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

Структура объекта PDO:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

Для каждого типа электропитания предлагаются различные характеристики.

Постоянный тип электропитания, напряжение постоянное. Источник должен иметь хотя бы один такой элемент:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

Программируемый тип электропитания, напряжение может регулироваться путем запросов в пределах между минимальным и максимальным:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

Вариативный тип электропитания, напряжение может изменяться в заданных пределах абсолютного минимума и абсолютного максимума, но не может регулироваться:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

Батарея, данный тип используется для обозначения батарей которые могут быть напрямую подключены к линии VBus:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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.

100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery

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.

С уважением.

Автор: stpark

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля