¿Cómo funcionan los puertos de carga USB y de carga "inteligente" (por ejemplo, Anker's PowerIQ)?

Ingeniero de software con una comprensión aficionada de EE aquí.

Últimamente he notado muchas afirmaciones de los productores de paquetes de baterías USB de que sus puertos son "inteligentes" e "identifican el dispositivo" para "entregar la corriente máxima para el dispositivo". Una mirada superficial al asunto parece implicar que este no es un lenguaje de marketing completo, y en realidad está sucediendo algo más complicado.

Al no comprender la sutil química de las baterías de iones de litio o la naturaleza de los controladores de carga, supongo que para cargar una batería lo más rápido posible, consumiría la mayor cantidad de corriente posible, limitándola solo a las especificaciones de la batería. Este no debe ser el caso, ya que está documentado que los dispositivos limitan su carga a 1A en algunos casos, cuando seguramente podrían extraer más. ¿Por qué es esto?

Si el consumo actual está tan controlado, ¿qué sucede con estos puertos inteligentes para permitir que el dispositivo consiga más corriente? Desde una página de producto para una batería Anker, afirman que sus puertos identifican el dispositivo y "hablan su lenguaje de carga único" (esa frase me da náuseas). Sin embargo, tal vez no debería reaccionar con tanta dureza a esa frase: ¿se utilizan realmente las líneas de datos USB para negociar algún patrón de carga?

¡Gracias!

Hay dos adiciones a la especificación USB que permiten más de 500 mA de corriente.

especificación de carga de la batería usb 1.1 . Permite hasta 1.3A.

especificación de carga de batería usb 1.2 (y esto ). Permite hasta 5A.

Resumen:

• USB 2.0 - BCS 1.1: 1.3A actual, sin transmisión de datos.
• USB 2.0 - BCS 1.2: 5A actual con datos.
• USB 3.0 - BCS 1.2: manejo de corriente de 5 A pero corriente limitada a 1.5 A, sin datos.

Más se puede encontrar aquí

Editar: a veces el fabricante no sigue el estándar y usa algo patentado. A veces, el "algo patentado" sería simplemente dejar que los pines de datos cuelguen en el aire o a un cierto voltaje y luego proporcionar una cantidad arbitraria de corriente ...

En la práctica, los cargadores 'inteligentes' usan un chip especial llamado Controlador de puerto de carga dedicado . Un controlador DCP puede actuar como diferentes cargadores, y elige el modo que parece funcionar mejor.

Esto se debe a que los cargadores de pared normales ('tontos') utilizan las conexiones de datos de USB para señalar de forma analógica estática de lo que son capaces. Los cargadores 'inteligentes' pueden hacer lo mismo, pero de una manera menos estática: observan el comportamiento del dispositivo de carga y deducen de eso la configuración ideal, que luego pueden emular.

Ejemplos de chips de controlador de puerto de carga dedicados son el 'Controlador de puerto de carga USB' de la serie TPS2510 de Texas Instruments , el ' Emulador de identificación / adaptador de cargador de host USB' y el 'Controlador de puerto de carga rápida USB Norelsys NS3601 ' de la serie Maxim MAX14600 .

Una imagen de la hoja de datos TPS2513a (copyright TI):

De manera similar, el MAX14600 (Copyright maxim):

Puede ver que las líneas de datos USB ('DP' y 'DM') tienen varios recursos configurables, y estos están controlados por alguna lógica 'inteligente'.

Alguna explicación

Los diferentes dispositivos cargables requieren diferentes tipos de cargadores. Esto se debe en parte a que la especificación USB no especificó el comportamiento de 'carga' inicialmente, y en parte a que algunos fabricantes quieren que sus dispositivos solo se carguen lo más rápido posible en sus propios enchufes de pared. Además, es posible que un dispositivo no consuma más corriente de la que se supone que está permitida , para evitar el riesgo de sobrecalentar una fuente de alimentación diseñada incorrectamente.

Nota: la explicación a continuación ignora las tecnologías USB3, USB Power Delivery y Qualcomm Quick Charge, que complican aún más las cosas (por ejemplo, admiten aumentar el voltaje por encima de 5 voltios).

Se pueden distinguir estos tipos de enchufes USB:

• Puerto USB normal (como en una PC). Esto se llama SDP , puerto descendente estándar. Un SDP suministra hasta 100 mA, y puede aumentar ese límite hasta 500 mA si el dispositivo conectado lo solicita, y el host USB acepta que es posible y permitido.
  • En la práctica, casi todos los SDP entregan 500 mA incluso sin una comunicación adecuada. Los dispositivos USB como pequeños ventiladores y calentadores de tazas no se comunican, pero aún requieren más de 100 mA.
• Puerto USB con capacidad de comunicación y funcionalidad de carga adicional. Esto se llama CDP : carga del puerto descendente. Este puede suministrar hasta 1500mA. Los dispositivos descendentes que no se comunican pueden informar esto al cargador conectando las líneas de datos USB D + y D- con una resistencia o con un corto.
• El Estándar de la Industria de Telecomunicaciones de China YD / T 1591-2009 es anterior e inspiró la especificación CDP. Especifica un corto entre D + y D-.
• Puerto USB sin capacidad de comunicación (como en un enchufe de pared). Esto se llama DCP : puerto de carga dedicado. Básicamente es un CDP sin los medios para hablar con el host USB (PC).
• Puertos DCP que no siguen las especificaciones DCP (de la versión 1.2 de sepcification de carga de batería USB). Estos enchufes de pared tienen diferentes configuraciones de resistencias conectadas a las líneas de datos, lo que genera voltajes fijos que el dispositivo de carga puede leer. La lista de voltajes 'reconocibles' es muy larga, esto es solo un extracto:
  • Apple 0.5A (D + a 2V, D- @ 2V)
  • Apple 1A (2V / -2.8V)
  • Apple 2.1A (2.7V / 2.0V)
  • Apple 2.4 A (2.7V / 2.0V)
  • Sony (3.3V / 3.3V)
  • Muchos (incluido Samsung) 2A (1.2V / 1.2V)

Los cargadores 'inteligentes', es decir, los chips del controlador DCP dentro de ellos, pueden emular un puerto DCP estándar con valores de resistencia variables, y también pueden emular varios de los voltajes DCP no estándar.

La salsa secreta

Los fabricantes de chips no describen realmente cómo funciona su lógica de 'detección', pero la única opción que tienen es monitorear lo que está haciendo el dispositivo de carga en las líneas D + y D-, y observar la corriente que se está dibujando.

Sin duda, esto requiere mucha investigación de prueba y error, y el algoritmo probablemente se mantiene como un secreto muy bien guardado.

Una técnica que podría usarse es recorrer los estados emulados y observar la cantidad de corriente que se extrae. El estado con el consumo de corriente más alto es el "mejor" y permanece activo.

Nota al margen

No se confunda con la comercialización de los fabricantes de cargadores que afirman que los cargadores " entregan la corriente máxima para el dispositivo". Una toma USB es una fuente de voltaje ; solo controla el voltaje y es el dispositivo de carga el que "decide" cuánta corriente "toma" durante la carga.

Por lo tanto, no hay forma de que un cargador pueda 'forzar' una corriente en un dispositivo que no lo acepta, al menos no manteniéndose por debajo del máximo seguro de 5.1 voltios.

Lo único que está sucediendo es un truco para hacer que el dispositivo de carga crea que está conectado al cargador más capaz, más adecuado y más compatible que pueda imaginar.

Enlaces adicionales

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB
• http://lygte-info.dk/info/USBinfo%20UK.html
• http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2514a-q1.pdf
• https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX14600-MAX14618.pdf
• http://www.norelsys.com/English/chanpinzhongxin/SMARTPOWER/2015/0601/123.html

También soy solo un ingeniero de software, pero parte de mi trabajo consiste en leer los documentos de especificaciones USB. Esto es lo que sé:

Existen dos protocolos oficiales para la alimentación por USB. El primero, BCD, se lanzó en 2007 y se actualizó en 2010. Utiliza varios trucos de línea de datos para identificar cuánta energía se permite que el dispositivo aguas abajo se hunda. Esto no tiene que ser un apretón de manos USB completo. Por ejemplo, un cargador dedicado se identifica como tal simplemente acortando D + a D-. Eso indica que el dispositivo aguas abajo puede hundirse hasta la corriente de carga máxima, que creo que es 1.5A. Puedes leer la especificación BCD aquí .

El protocolo más nuevo es PD (Power Delivery), que se distribuye como parte de la especificación USB principal . PD es realmente interesante. Permite que la información de energía se intercambie a través de las líneas de voltaje en lugar de las líneas de datos, y puede soportar hasta 100W (20V / 5A). Sin embargo, las aplicaciones de alta potencia requieren que el cable se marque electrónicamente para indicar que el cableado puede soportar alto voltaje / alta corriente sin derretirse. :-) Hay varias "marcas" definidas en la especificación, pero todas parecen implicar la caída de una resistencia o un condensador entre dos pines en el enchufe.

Dicho esto, la probabilidad de que cualquier cable o cargador realmente implemente toda la especificación correctamente parece bastante baja. Puede seguir las hazañas de Benson Leung en Amazon.com para ver cuántas formas han encontrado los fabricantes para arruinar esto.

No estoy seguro, pero creo que es muy probable que las etiquetas de marketing como "PowerIQ" indiquen cargadores que intentan lograr la compatibilidad con tantos dispositivos y cables como sea posible, incluidos los que son irremediablemente no estándar. Desafortunadamente, no hay una buena manera de saber qué tan cerca se acerca un cargador en particular a ese ideal.

(tema anterior, pero nueva información basada en la última especificación USB).

Como ya se mencionó, las nuevas especificaciones USB permiten un voltaje de carga superior a 5V, si el dispositivo lo solicita.

Bajo la extensión "USB Power Delivery" (PD) (USB PD rev. 3.0, ver 1.0a ahora), se pueden proporcionar hasta 5 A a 5 V, 9 V, 15 V o 20 V al dispositivo conectado, con un máximo de 100W de origen. Hay muchas reglas que el "dispositivo solicitante" debe seguir para estos casos.

Esto normalmente sería para computadoras portátiles u otros dispositivos que tienen un mayor número de células y / o voltajes operativos. Los cables también deben estar diseñados y especificados para manejar estas condiciones.

(sí, soy EE ... por más de 35 años)

Comparto sus náuseas en ese idioma, sin embargo, estoy de acuerdo en que probablemente haya algo de verdad detrás de este asunto. Los dispositivos USB se declaran a sí mismos en función de las ID del proveedor, del producto y del dispositivo para que el host pueda reconocer lo que se está conectando y tratarlo en consecuencia (por ejemplo, encontrar el controlador apropiado). Además, no soy un experto en baterías, pero he estado lo suficientemente expuesto como para saber que las baterías de iones de litio tienen algunos requisitos de carga extraños para evitar el sobrecalentamiento. No es irracional pensar que un producto USB podría negociar un patrón de carga más óptimo como se describe aquí dado que está en interfaz con un controlador o producto a medida en el otro extremo.

Un ejemplo de un patrón de carga de iones de litio que he visto es la corriente constante hasta que el voltaje de la batería alcanza los 4.0V, seguido del voltaje constante hasta que la batería alcanza los 4.2V. Quizás las diferentes baterías tienen diferentes patrones (de nuevo, no soy un experto en baterías).

[...] en realidad está sucediendo algo más complicado.

Sí. En resumen, los puertos inteligentes utilizan hacks de mecanismos de carga no estandarizados para lograr corrientes óptimas. La suposición común de que todos los dispositivos USB basan sus protocolos de carga únicamente en la especificación USB o la extensión BCS es falsa.

Muchos cargadores USB solo tienen puertos de pines de datos flotantes 'tontos' descritos por los BCS, también conocidos como DCP, puertos de carga dedicados.

Un puerto inteligente puede actuar como un puerto tonto (DCP) o puede emular varios puertos propietarios en caso de que la especificación USB / BC no sea compatible u óptima. Esta emulación puede romperse en ciertos escenarios y causar problemas, por lo que cada marca de cargador inteligente intenta distinguirse en términos de confiabilidad, velocidad y compatibilidad. Hacerlos puede involucrar algo de ingeniería inversa.

Idealmente, los cargadores 'inteligentes' no serían necesarios y todos los dispositivos usarían el mismo estándar de carga. Si no es un host / cargador, reconoce que un dispositivo puede:

• Carga lentamente
• No cobrar en absoluto.
• Cargue a la velocidad de especificación USB estándar (no BCS) (es decir, 5 unidades de alimentación para un dispositivo USB de potencia completa, 1 para baja potencia, 5 para una conexión de alimentación no enumerada). Esto normalmente es más lento que su máximo.
• Cargue a la velocidad BCS, entonces podrían extraer hasta 5A de un DCP. Aunque nunca he visto más de 3A anunciados para un solo puerto. Esto aún puede ser más lento de lo que podría hacer con su propio cargador.

[...] ¿qué está pasando con estos puertos inteligentes para permitir que el dispositivo tome más corriente? [...] ¿se utilizan realmente las líneas de datos USB para negociar algún patrón de carga?

Un poco, depende de la especificación de carga que estés viendo. Creo que Apple usa las líneas de datos, pero no sucede nada complejo, solo están configuradas en 3V para indicar que es un cargador de Apple.

El DCP no es el único puerto de carga descrito por el BCS. Algunos (pocos) dispositivos prefieren requerir enumeración (es decir, usar el protocolo de enlace de pines de datos) y, por lo tanto, necesitan un CDP (puerto descendente de carga) que es más complejo porque permite la transferencia de datos además de la carga. Supongo que un puerto que es totalmente compatible con BCS, es decir, que puede cambiar entre CDP y DCP, podría considerarse 'inteligente' incluso si no emula ninguna otra tecnología.

Supongo que para cargar una batería lo más rápido posible, consumiría tanta corriente como sea posible, seguramente [...] podrían consumir más. ¿Por qué es esto?.

Correcto, pero solo si el cargador cumple con sus especificaciones, de lo contrario, supongo que simplemente no confían en él. O tal vez tiene que ver con la competencia y las patentes, o algoritmos que optimizan la duración de la batería. Sin embargo, creo que el cómo es más interesante que el por qué.

Yo tampoco soy un EE. (También un ingeniero de software con una comprensión lectora de electrónica muy bien leída).

Tengo entendido que la convención es que los dispositivos USB normales consumirán un máximo de 500 mA, no más. Cualquier otra cosa es una violación del estándar USB.

Los cargadores USB "inteligentes" incluyen lógica de estado sólido con chips de comunicaciones en serie. Cuando conecta un dispositivo que quiere una corriente más alta, envía una consulta a la fuente de alimentación diciendo algo como "Quiero 2 amperios. ¿Está bien?" Si la fuente de alimentación es un puerto USB de descarga, no responde en absoluto, por lo que el dispositivo no funciona o solo consume los 500 mA predeterminados (y se carga mucho más lentamente).

Tengo un teléfono Samsung S5 y un Note 10.1 (edición 2014). Tengo un medidor USB en línea que mide voltaje, corriente y maH. Cuando uno de estos dispositivos está conectado al cargador OEM, la salida del cargador aumenta a 5,5 voltios y la corriente de carga es de aproximadamente 1,6 amperios. Si intento esto usando una verruga de pared barata con una potencia de 1 amp, el voltaje se mantiene en 5.0 y se carga a 0.8 amps. También tengo varios cargadores a batería. La mayoría de ellos, aunque tienen una potencia de 2 amperios o más, proporcionan solo 5.0 voltios y la corriente de carga permanece en alrededor de 0.8 amperios. De esto concluyo que el protocolo de Samsung es para que los dispositivos soliciten una carga rápida por uno de los medios mencionados anteriormente, y que el cargador señala que es capaz de hacerlo al aumentar su salida a 5.5 voltios.