¿Cómo funcionan la carga USB y los puertos de carga "inteligentes" (por ejemplo, PowerIQ de Anker)?

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

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

Más se puede encontrar aquí

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

En la práctica, los cargadores "inteligentes" utilizan 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') usan conexiones de datos USB para señalar de forma estática y analógica lo que son capaces de hacer. 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 controladores de puertos de carga dedicados son el 'Controlador de puerto de carga USB' de la serie TPS2510 de Texas Instruments, el ' Emulador de adaptador/identificación de cargador host USB' de la serie Maxim MAX14600 y el 'Controlador de puerto de carga rápida USB' de Norelsys NS3601 .

Una imagen de la hoja de datos TPS2513a (derechos de autor 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 explicacion

Diferentes dispositivos recargables requieren diferentes tipos de cargadores. Esto se debe en parte a que la especificación USB no especificaba 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, un dispositivo no puede consumir más corriente de la que puede suponer que está permitida , para evitar el riesgo de sobrecalentamiento de una fuente de alimentación diseñada incorrectamente.

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

Estos tipos de tomas USB se pueden distinguir:

• Puerto USB normal (como en una PC). Esto se llama SDP , puerto de bajada estándar. Un SDP suministra hasta 100 mA y puede aumentar ese límite hasta 500 mA si el dispositivo conectado lo solicita amablemente y el host USB acepta que es posible y está 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 : puerto de carga descendente. Este puede suministrar hasta 1500mA. Los dispositivos de descarga que no se comunican pueden avisarle al cargador conectando las líneas de datos USB D+ y D- con una resistencia o con un cortocircuito.
• El estándar de la industria de telecomunicaciones 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. Es básicamente un CDP sin los medios para hablar con el host USB (PC).
• Puertos DCP que no siguen las especificaciones DCP (de la especificación de carga de batería USB versión 1.2). Estos enchufes de pared tienen diferentes configuraciones de resistencias conectadas a las líneas de datos, lo que da como resultado 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- a 2V)
  • Manzana 1A (2V / -2.8V)
  • Manzana 2.1A (2.7V / 2.0V)
  • Manzana 2,4 A (2,7 V/2,0 V)
  • Sony (3,3 V/3,3 V)
  • Muchos (incluido Samsung) 2A (1.2V / 1.2V)

Los cargadores 'inteligentes', es decir, los 'chips de 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 realmente no describen 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 consumiendo.

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

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

Nota al margen

No se deje confundir por el marketing de los fabricantes de cargadores que afirman que un cargador " entrega 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' mientras se carga.

Por lo tanto, no hay forma de que un cargador pueda "forzar" una corriente en un dispositivo que no la acepta, al menos no manteniéndose por debajo del máximo seguro de 5,1 voltios.

Lo único que sucede 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.

Otros enlaces

• 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 un ingeniero de software, pero parte de mi trabajo implica leer los documentos de especificaciones USB. Esto es lo que sé:

Hay dos protocolos oficiales para la alimentación a través de USB. El primero, BCD, se lanzó en 2007 y se actualizó en 2010. Utiliza varios trucos de línea de datos para identificar cuánta energía puede consumir el dispositivo de descarga. Esto no tiene que ser un protocolo de enlace USB completo. Por ejemplo, un cargador dedicado se identifica como tal simplemente cortando D+ a D-. Eso indica que el dispositivo aguas abajo puede hundirse hasta la corriente de carga máxima, que creo que es 1.5A. Puede leer las especificaciones de 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 admitir hasta 100 W (20 V/5 A). 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 dejar caer una resistencia o un condensador entre dos pines en el enchufe.

Dicho esto, la probabilidad de que cualquier cable o cargador implemente correctamente todas las especificaciones 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 está un cargador en particular de ese ideal.

(tema antiguo, pero nueva información basada en las últimas especificaciones USB).

Como ya se mencionó, las nuevas especificaciones USB permiten un voltaje de carga superior a 5 V, 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 fuente. Hay muchas reglas que el "dispositivo solicitante" debe seguir para estos casos.

Por lo general, esto sería para computadoras portátiles u otros dispositivos que tengan recuentos de celdas y/o voltajes operativos más altos. Los cables también deben estar diseñados y especificados para manejar estas condiciones.

(sí, soy EE... desde hace más de 35 años)

Comparto tu náusea por ese lenguaje, 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 los ID de proveedor, producto y dispositivo para que el host pueda reconocer lo que se está conectando y tratarlo en consecuencia (por ejemplo, encontrar el controlador adecuado). 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 descabellado pensar que un producto USB podría negociar un patrón de carga más óptimo, como se describe aquí, dado que está interactuando con un controlador o producto personalizado en el otro extremo.

Un ejemplo de un patrón de carga de iones de litio que he visto es una corriente constante hasta que el voltaje de la batería alcanza los 4,0 V, seguido de un voltaje constante hasta que la batería alcanza los 4,2 V. Quizás diferentes baterías tengan diferentes patrones (nuevamente, no soy un experto en baterías).

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

Sí. En resumen, los puertos inteligentes utilizan 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 pin de datos flotantes 'tontos' descritos por BCS, también conocido 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 o no sea óptima. Esta emulación puede fallar en ciertos escenarios y causar problemas, por lo que cada marca de cargador inteligente trata de distinguirse en términos de confiabilidad, velocidad y compatibilidad. Hacerlos puede implicar algo de ingeniería inversa.

Idealmente, no se necesitarían cargadores "inteligentes" 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 estándar de la especificación USB (no BCS) (es decir, 5 unidades de alimentación para un dispositivo USB de máxima potencia, 1 para baja potencia, 5 para una conexión de solo alimentación no enumerada). Esto es normalmente más lento que su máximo.
• Cargue a la velocidad de BCS, luego 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 consuma 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 configurados en 3V para indicar que es un cargador 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 de carga descendente) 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, 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 la mayor cantidad de corriente 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 tenga que ver con la competencia y las patentes, o con algoritmos que optimizan la duración de la batería. Sin embargo, creo que el cómo es más interesante que el por qué.

Yo tampoco soy EE. (También un ingeniero de software con la comprensión de un aficionado bien leído de la electrónica.)

Tengo entendido que la convención es que los dispositivos USB normales consumirán un máximo de 500 mA, no más. Cualquier cosa más 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 requiere 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 pruebo esto usando una verruga de pared barata de 1 amperio, el voltaje permanece en 5.0 y se carga a 0.8 amperios. También tengo varios cargadores de batería. La mayoría de ellos, aunque tienen una potencia nominal de 2 amperios o más, proporcionan solo 5,0 voltios y la corriente de carga se mantiene en alrededor de 0,8 amperios. De esto concluyo que el protocolo de Samsung es que los dispositivos soliciten una carga rápida por uno de los medios mencionados anteriormente, y que el cargador lo señale al aumentar su salida a 5.5 voltios.