1. До історії питання
2. Що таке Battery Charging Specification
3. типи портів
4. починаємо експерименти
5. Досвід перший. Робота зі штатним зарядним пристроєм
6. Досвід 2. Намагаємося заряджатися від USB порту
7. Досвід 3. Досліджуємо BC протокол
8. висновки

Мобільність сучасних електронних пристроїв - задоволення, оплачене необхідністю періодично заряджати їх акумулятори . Зазвичай це робиться за допомогою спеціальних зарядних пристроїв. Але існує альтернатива - використовувати USB-порти персонального комп'ютера. Їх експлуатація в режимі зарядного пристрою визначена специфікацією Battery Charging.

Чи стала специфікація Battery Charging «нормою життя» в світі мобільних пристроїв або залишається всього лише інноваційним побажанням? Давайте доторкнемся до цього питання, підключивши планшет до порту універсальної послідовної шини. Спостереження зарядних процесів стане критерієм істини в дослідженні готовності персональних платформ бути «станціями переливання струму».

До історії питання

Ідею універсалізації зарядних пристроїв для мобільних телефонів запропонувала компанія Motorola . Саме їй належить заслуга використовувати USB-шину для потреб портативної техніки. Благо справу, специфікація USB 2.0 була готова до цього, допускаючи споживання від порту струмів до 500 мА.

Новий індустріальний стандарт для універсальної послідовної шини не тільки покращив її пропускну здатність, але і підняв планку споживання струму. версія USB 3.0 збільшила це значення до 900 mA.

Паралельно розвивалася і поліпшувалася портативна техніка: мобільні телефони стали смартфонами, укомплектованими ємними акумуляторами . На стику між смартфонами і ноутбуками з'явилися планшети - новий клас пристроїв, що вимагають автономного живлення. Для них стала очевидною необхідність забезпечити робочі струми від 1.5 A і більш.

Спробою використовувати універсалізм USB-шини у всіх сенсах і стала поява специфікації Battery Charging, яка регламентує процеси споживання струмів понад 900 мА для потреб периферійних пристроїв.

Примітка.
Підключення навантаження до будь-якого джерела живлення неминуче призводить до зменшення або «просідання» вихідної напруги. USB-порт не виняток. Специфікація USB встановлює діапазон живлячих напруг від 4.40 до 5.25 Вольт, в якому шина зберігає свою працездатність. Забігаючи наперед, відзначимо, що для стійкої зарядки акумуляторів, вимоги до порту більш жорсткі: необхідно забезпечити напругу не нижче 4.75 V в робочому діапазоні споживаних струмів.

Що таке Battery Charging Specification

Головними предметами стандартизації в документі Battery Charging Specification є:

1) електричні характеристики ланцюгів харчування, а саме, здатність USB-порту видавати підвищені струми і утримувати стабільну напругу у всьому їх діапазоні.

Примітка.
Графік, наведений нижче, встановлює ліміти на «просідання» напруги живлення під впливом струму навантаження. Допустимий ділянку відзначений темним кольором. Як бачимо, специфікація Battery Charging більш вимоглива до ланцюгів харчування, ніж специфікація USB.

2) протокол, згідно з яким заряджається пристрій розпізнає підтримку специфікації Battery Charging портом USB.

Ідея в тому, що пристрій подає напругу Vdat _ ref на лінію USB 2 Data +, а хост як відповідна реакція видає напругу Vdm _ src на лінію USB 2 Data -. З цієї реакції, яка заряджається пристрій розпізнає можливості хоста і отримує право на споживання струмів, що перевищують ліміти, встановлені специфікацією USB.

Коментар.
Підключаючись до USB-порту, що заряджається девайс використовує ламелі, призначені для інформаційного обміну по USB 2.0. Як випливає з вище сказаного, про свої наміри він повідомляє по лінії Data +, а підтвердження від хоста очікує по лінії Data-. Ламелі USB 3.0 для схем живлення зовнішніх пристроїв не використовуються.

типи портів

Документ Battery Charging Specification встановлює три основних види портів.

1) SDP (Standard Downstream Port) - звичайний USB-порт зі стандартною здатністю навантаження в межах 500/900 мА.

2) CDP (Charging Downstream Port) - USB-порт з підвищеною здатністю навантаження до 1.5 A. Паралельно з зарядкою, CDP здатний забезпечити обмін за інтерфейсів USB 2.0 / 3.0.

3) DCP (Dedicated Charging Port) - це зарядний пристрій без використання інформаційних сигналів USB-порту. Залежно від реалізації може забезпечувати струм від 1.5 A до 5 A. Зауважимо, що протокол розпізнавання такого порту максимально спрощений: в роз'ємі порту DCP лінії USB 2 Data + і USB 2 Data - повинні бути закорочені.

Коментар.
Напрошується інший сенс абревіатури DCP: Dummy Charging Port, - тупо заряджаємо периферію і все!

починаємо експерименти

У нашій тестовій лабораторії виявився планшет ASUS Vivo Tab TF600T, укомплектований штатним зарядним пристроєм. Для дослідження режиму зарядки від USB-порту ми використовували USB 3.0 адаптер виробництва ST Lab на основі xHCI-контролера Renesas uPD720202 .

Чотирьохпортовий USB 3.0 адаптер виробництва STLab,
модель U-780, на чіпі Renesas Electronics uPD720201K8-701

Досвід перший. Робота зі штатним зарядним пристроєм

За допомогою омметра ми виявили, що два центральних контакту USB-роз'єму на зарядному пристрої замкнуті між собою. Це означає, що зарядний пристрій підтримує специфікацію Battery Charging і класифікується як DCP (Dedicated Charging Port).

Включивши амперметр в розрив ланцюга харчування Vbus, ми виміряли струм, споживаний планшетом при зарядці. Він дорівнює 900 mA при напрузі +5 В.

Включивши спеціально виготовлений перехідник між планшетом і зарядним пристроєм, ми розірвали ланцюг, що з'єднує лінії USB2 Data + і USB2 Data-. Це повинно приводити до неможливості розпізнавання планшетом режиму DCP. Але змін в споживанні струму ми не виявили: планшет не підтримує протокол розпізнавання типу порту, описаний в специфікації Battery Charging.

Вимкнувши планшет, ми перевірили омметром опір ліній USB2 Data + і USB2 Data- щодо землі на самому високоомному межі. Результат - нескінченність. А це означає, що зазначені ланцюга розімкнуті і, отже, не містять будь-яких схем, що забезпечують розпізнавання BC-протоколів.

Спроба зарядки планшета в поєднанні з док-станцією через наш перехідник закінчилася невдало - режим зарядки не працює. З'єднання ліній USB2 Data + і USB2 Data- не поліпшить ситуацію. Що й не дивно: в док-станцію вбудований додатковий акумулятор, - а спільна зарядка декількох батарей призводить до підвищеного споживання струму. Імовірно, в такому режимі виникає падіння напруги на роз'ємі і сполучних провідниках. Це означає, що вимоги до навантажувальної спроможності і стабільності ланцюга харчування + 5V повинні бути значно вище, ніж обумовлено специфікацією USB.

Досвід 2. Намагаємося заряджатися від USB порту

Як випливає з документації, контролер Renesas uPD720202 підтримує специфікацію Battery Charging, що дозволяє заряджається пристрою розпізнати можливості заряджає пристрої або хоста. У припущенні, що струм, споживаний планшетом, буде залежати від програмно встановленого BC-режиму, була написана невелика утиліта BCTool.EXE. З її допомогою можна управляти регістрами Renesas uPD720202, відповідальними за установку режимів, передбачених специфікацією BC.

Але при спробі зарядити планшет від USB-порту нас чекало розчарування: пристрій вперто не переходило в режим зарядки. Іноді можна було спостерігати пульсації споживаного струму, які, втім, не виводили планшет на режим зарядки від USB. Результати ряду експериментів зі спеціально виготовленими переходниками говорять на користь того, що причиною стала банальна недостатність навантажувальної спроможності порту. «Просідання» напруги на лінії Vbus, яке не є проблемою для роботи звичайних USB-пристроїв, перешкоджало включенню режиму зарядки.

Як випливає з результатів першого досвіду, планшет не підтримує розпізнавання просунутих можливостей, про які рапортують USB-порти контролера Renesas uPD720202. Це означає, що нашим очікуванням побачити зміна споживаного струму при програмної установці BC-режимів Renesas xHCI не судилося збутися навіть в тому випадку, якщо б була відсутня проблема з навантажувальною здатністю порту.

Досвід 3. Досліджуємо BC протокол

У ситуації, коли детальне дослідження можливостей USB-порту з підтримки специфікації Battery Charging неможливо через відсутність відповідної периферії, єдиною можливістю залишається макетування. Нагадаємо, взаємодія хоста і підключеного заряджається мобільного пристрою полягає в тому, що мобільний пристрій подає напругу Vdat_ref на лінію USB2 Data +, а хост як відповідна реакція видає напругу Vdm_src на USB2 Data-. З цієї реакції яка заряджається пристрій розпізнає BC-можливості хоста.

Для моделювання процесу був зібраний резисторний дільник, що подає напругу близько 0.5V на лінію USB2 Data + контролера Renesas uPD720202. Напруга на лінії USB2 Data- контролювалося за допомогою вольтметра. Якщо підтримка BC вимкнена, на лінії USB2 Data- напруга близько нуля, так як лінії даних USB заземлені через Pull-down резистори. За допомогою утиліти BCTool.EXE, написаної в нашій тестовій лабораторії, перемикаємо режим роботи порту і спостерігаємо результат на вольтметрі. При виборі режиму CDP на лінії USB2 Data- зафіксовано зростання напруги до 0.6V, як і повинно бути у відповідності зі специфікацією BC.

Такий результат, а також наявність додаткового роз'єму живлення THP-4MR на платі адаптера, свідчать про те, що виробник пристрою знаходиться на шляху до повноцінної підтримки специфікації BC. Залишилося забезпечити вимоги специфікації по потужності ланцюга + 5V, утримуючи задану напругу при заданому струмі відповідно до графіка, наведеними на початку статті.

висновки

Щоб «світле майбутнє», описане в документі Battery Charging Specification, стало реальністю, розробникам мобільних пристроїв і USB-адаптерів потрібно докласти чимало зусиль. Хотілося б вірити, що виробництво оригінальних зарядних пристроїв не стане на шляху до впровадження даної специфікації.