Comment concevoir une alimentation 2A ou plus pour mes appareils USB grand public?

Je comprends que bon nombre de mes appareils grand public chargés par des ports USB peuvent charger à des taux supérieurs à 0,5 A. Cependant, lors des tests, j'ai constaté qu'ils ne consommaient pas plus que cela.

Configuration du test

• J'ai une alimentation qui produit entre 0 et 30 volts et 0 à 20 ampères.
• J'ai réglé la tension à 5 volts, puis j'ai connecté correctement une femelle USB aux fils.
• Lorsque je branche un Samsung Galaxy S4 Mini, il tire environ 0,44 ampères. C'est la même chose avec un Samsung Galaxy Tab Pro.
• Cependant, lorsque je connecte un iPad Air avec un câble Lightning officiel, il ne tire que 0,11 ampères.
• De plus, j'ai essayé de connecter une montre intelligente ZGPAX S28 et c'était toujours environ 0,44-0,45 ampères.

L'alimentation est plus que capable de produire le maximum de 2,1 ampères, alors pourquoi ne l'est-elle pas au moins pour les tablettes?

Que dois-je faire dans ma configuration de test pour convaincre les appareils de consommer leur courant de charge maximal?

La raison pour laquelle vos appareils Apple / Samsung ne consomment pas plus de courant est simple. C'est parce qu'il y a une communication de données supplémentaire entre l'appareil Apple / Samsung et leurs alimentations dédiées. Cela fait que les deux appareils se reconnaissent et conviennent d'un courant plus élevé à utiliser. Le chargeur définit certaines tensions sur les lignes de données USB et cela est reconnu par le téléphone ou la tablette.

Votre alimentation de 20 ampères ne fournit pas ces tensions sur les lignes de date, de sorte qu'il ne "parle" pas à votre appareil Apple / Samsung, donc ceux-ci supposent qu'il s'agit d'un chargeur "stupide" normal et ne consomment pas plus de courant que ce qui est autorisé par la norme USB qui n'est généralement que de 100 ou 500 mA

Pour charger un appareil Apple, mettez ces tensions sur les lignes de données:

courant souhaité: 2000 mA D-: 2,0 V D +: 2,75 V

En outre, selon le niveau de charge de la batterie, le courant de charge est également limité. Il ne sera maximal que lorsque la batterie sera chargée à 30 - 70% (ces chiffres ne sont que mon estimation). La charge avec un courant élevé est mauvaise pour la batterie lorsqu'elle est très faible ou presque pleine.

Sources:

Adafruit: les mystères de la recharge des appareils Apple

Voltaïque: choix des tensions des broches USB

Voici un article plus complet qui répertorie les schémas d'identification D + / D- de diviseur de résistance propriétaires connus pour les chargeurs haute puissance. L'essentiel est:

2.0V / 2.0V - faible puissance (500mA)

2.0V / 2.7V - Apple iPhone (1000mA / 5 watts)

2,7 V / 2,0 V - iPad Apple (2100 mA / 10 watts)

2,7 V / 2,7 V - 12 watts (2400 mA, peut-être utilisé par Blackberry)

D + / D- court-circuités ensemble - USB-IF BC 1.2 standard

1.2V / 1.2V - Appareils Samsung

Les valeurs Samsung coïncident avec ce qui est indiqué sur ce schéma ^{[source originale]} via un diviseur de résistance 10k / 33k pour les chargeurs de tablette Galaxy 2A.

Comme je l' ai dit dans mes autres commentaires, il y a aussi impromptu puces qui mettent en œuvre certains d' entre eux, par exemple MAX14667 , TPS2513 , Microchip USB2534 ou CYUSB3324 . La fiche technique de ce dernier fournit également plus de détails sur les appareils Samsung:

Les appareils Samsung suivent plusieurs méthodes de charge. Certains appareils Samsung (tablettes Samsung Galaxy) utilisent une méthode de charge propriétaire dans laquelle les broches D + et D- sont polarisées au même potentiel (~ 1,2 V). Les appareils de la série Samsung Galaxy S (S3, S4) respectent la norme de charge USB-IF BC v1.2 pour le mode de fonctionnement DCP, CDP et SDP.

L' USB-IF BC 1.2 a les exigences suivantes pour le mode DCP:

• Les lignes de données D + et D– sont court-circuitées avec une impédance série maximale de 200 Ω.

• Ne doit pas couper l'alimentation jusqu'à ce que la tension tombe en dessous de 2 V ou que le courant dépasse 1,5 A

• La consommation de courant maximale absolue autorisée mais non requise est la limite du connecteur USB 2.0, jusqu'à 5A

De plus, la note de Cypress indique que le 2.7V / 2.7V -> 2.4A est [également] utilisé par Apple. La discussion sur les forums de TI sur lesquels les employés de TI sont intervenus (pour leur TPS2513A) indique la même chose. Un employé de TI a déclaré :

À partir de l'iPad3, une batterie de 42 Wh est utilisée, le long temps de charge commence à devenir un problème. Comparez le temps de charge, de la batterie de 0% à 100%, le chargeur 2.1A prend 6 heures, le chargeur 2.4A prend 5 heures 40 minutes. Donc 20 minutes plus vite, mais pas beaucoup.

Nous pensons que la principale raison pour laquelle le chargeur 2.4A d'Apple est une meilleure expérience utilisateur lors du chargement et de la lecture en même temps. Lorsque je joue à des jeux vidéo de haute qualité, comme Infinity II et que je charge en même temps, l'augmentation du pourcentage de batterie de mon iPad3 est très très lente, par exemple, 30 minutes plus tard, n'augmente que de 2%, ce qui me rend fou.

Lors de l'utilisation du chargeur 2.4A, l'état de la batterie augmente plus rapidement, au moins je me sens normal, d'accord.

L'alimentation est plus que capable de produire le maximum de 2,1 ampères, alors pourquoi ne l'est-elle pas au moins pour les tablettes?

La norme USB ne permet pas de tirer plus de 500 mA d'un port USB 1 standard. Jusqu'à ce que l'appareil établisse une communication avec le périphérique hôte USB, il n'a aucun moyen de connaître la quantité de courant disponible.

La norme USB exige en réalité que les appareils ne consomment pas plus de 100 mA avant de communiquer avec l'hôte et de demander plus d'énergie. Ceci est important car un concentrateur USB standard non alimenté consommera 500mA - 100mA pour lui-même et 100mA pour chacun de ses ports. Cela signifie qu'un concentrateur non alimenté ne peut pas et ne doit pas tenter de fournir 500 mA à un périphérique USB.

La norme a été conçue de cette façon pour prendre en charge une variété d'utilisations.

Évidemment, seul Apple suit la norme et ne consomme que 100 mA avant de demander plus de puissance.

La réalité est que peu de ports USB sont incapables de fournir 500mA sans qu'on le leur demande. Beaucoup ne prennent même pas la peine de surveiller la consommation actuelle et d'éteindre les périphériques USB non conformes. Il est presque toujours sûr de tirer 500 mA d'un port USB sans demander au port hôte la puissance maximale.

Les nouvelles spécifications USB permettent des ports de puissance supérieure. Encore une fois, cependant, cela doit être demandé pour être conforme à la spécification.

Les chargeurs USB ne sont généralement pas intelligents et n'implémentent pas de port hôte USB complet. Ils utilisent certains raccourcis - généralement en utilisant des résistances sur les lignes D + et D- pour signaler au périphérique USB que le chargeur est capable de plus de puissance sans demande officielle.

De plus, certains appareils, tels que la gamme Apple iOS, surveilleront également la tension fournie et réduiront la consommation de courant en fonction de la chute de tension. Par exemple, si un chargeur indique qu'il peut fournir 2 A, mais que la tension ne reste pas à 5 V, l'appareil iOS consommera moins que le courant maximum. Il ne chargera pas en dessous de 4,5 V, ni au-dessus de 5,5 V. Ainsi, non seulement le chargeur doit présenter les signaux corrects pour indiquer que le courant complet est disponible, mais il doit également maintenir une bonne régulation à la consommation de courant maximale.

Gardez à l'esprit qu'il s'agit d'une fonction de sécurité. Non seulement le chargeur doit être capable de fournir le courant, mais le câble USB utilisé doit pouvoir le transporter. Cela peut ne pas sembler beaucoup de courant, mais il existe de nombreux câbles USB minces très bon marché sur le marché qui se réchaufferont sensiblement avec 2A traversant leurs conducteurs sous-dimensionnés. Mettez-le sous un oreiller inflammable et laissez la chaleur s'accumuler, et vous pourriez trouver plus que de l'isolant fondu.

Apple vérifie non seulement le chargeur, mais aussi le câble (en utilisant leurs puces propriétaires à l'intérieur du connecteur de câble) afin d'éviter toute responsabilité pour les pertes possibles associées aux chargeurs et au câblage dangereux.

Tant que vous utilisez le câble fourni avec l'appareil, cependant, vous ne devriez pas avoir de problème avec cet aspect de celui-ci et pouvez vous concentrer sur la signalisation du chargeur.

Que dois-je faire dans ma configuration de test pour convaincre les appareils de consommer leur courant de charge maximal?

La norme Apple a été vaguement adoptée par d'autres, ou est acceptée par d'autres, et consiste à placer des niveaux de tension spécifiques sur les lignes D- et D + à un faible courant. En plaçant environ 2,0 V sur la ligne D et 2,75 V sur la ligne D +, le signal 2A (10 W) est disponible pour la charge. Cela peut être fait avec de simples résistances:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Si vous suivez ce circuit dans votre configuration, vous devriez constater qu'au moins les appareils Apple se chargent à 2 ampères ou plus, et vous pouvez trouver que vos autres appareils se chargent également à ce rythme.

Vous pouvez essayer d'utiliser un contrôleur de port de charge dédié .

Selon la spécification, il peut détecter les schémas de facturation suivants:

1. Diviseur 1 DCP, requis pour appliquer respectivement 2 V et 2,7 V sur les lignes D + et D– (TPS2513, TPS2514)
2. Diviseur 2 DCP, requis pour appliquer respectivement 2,7 V et 2 V sur les lignes D + et D– (TPS2513, TPS2514)
3. Diviseur 3 DCP, requis pour appliquer respectivement 2,7 V et 2,7 V sur les lignes D + et D- (TPS2513A, TPS2514A)
4. BC1.2 DCP, requis pour court-circuiter la ligne D + vers la ligne D–
5. Standard télécom chinois YD / T 1591-2009 Mode court-circuit, requis pour court-circuiter la ligne D + vers la ligne D–
6. 1,2 V sur les lignes D + et D–

20 ampères est ce que l'alimentation est capable de fournir, et tout ce que vous y connectez prend ce dont elle a besoin de ces 20 ampères.

Par exemple, si vous avez configuré l'alimentation pour une sortie de 5 volts et que vous mettez une résistance de 5 ohms sur sa sortie, cela fournira 1 ampère à la résistance car c'est tout ce que la résistance veut avec 5 volts à travers.

Vous pouvez également mettre vingt résistances de 5 ohms sur l'alimentation, en parallèle, et cela fournira 1 ampère à chacune d'elles pour un total de 20 ampères.

Un périphérique USB ne consomme que la quantité de courant qu'il sait pouvoir tirer sans endommager le chargeur. Les appareils Apple et Samsung n'ont aucune idée de combien il est sûr de tirer de votre chargeur, ils se rabattent donc sur la norme USB. La norme USB indique que "0,5 ampère est sûr". (Si le chargeur s'identifie comme un chargeur USB mais ne peut pas supporter 0,5 ampère, ce n'est pas la faute du téléphone mais le problème du chargeur).

La seule façon de convaincre l'appareil de tirer plus de courant est d'implémenter la communication dans le chargeur qui se produirait entre un appareil Apple et un chargeur Apple, ou un appareil Samsung et un chargeur Samsung. Ce n'est pas très difficile, et vous pouvez acheter des chargeurs de qualité décente à des prix raisonnables. Votre chargeur ne le fait pas, donc 0,5 A est la limite.

Tous les périphériques USB doivent se comporter lorsqu'ils sont connectés à un port de données USB, qui fournira 100mA par défaut, 500mA quand "bien demandé". Voilà ce que vous obtenez.

Si vous connectez les signaux Data + et Data- ensemble via une petite résistance (pour la protection .. quelque chose autour de 100 ohms), vous serez en conformité avec la spécification de charge de la batterie USB, qui permet à un appareil de tirer un minimum de 1,5 A.