Como projeto uma fonte de alimentação 2A ou mais para meus dispositivos USB de consumo?

Entendo que muitos dos meus dispositivos de consumo carregados por portas USB podem cobrar a taxas mais altas que 0,5A. No entanto, nos testes, descobri que eles não consomem mais do que isso.

Configuração de teste

• Eu tenho uma fonte de alimentação que produz entre 0 e 30 volts e 0 a 20 amperes.
• Defino a voltagem para 5 volts e, em seguida, conectei um USB fêmea aos fios corretamente.
• Quando conecto um Samsung Galaxy S4 Mini, ele puxa cerca de 0,44 amperes. É o mesmo com um Samsung Galaxy Tab Pro.
• No entanto, quando conecto um iPad Air com um cabo elétrico oficial, ele puxa apenas 0,11 amperes.
• Além disso, tentei conectar um smartwatch ZGPAX S28 e ele ainda tinha cerca de 0,44-0,45 amperes.

A fonte de alimentação é mais do que capaz de produzir o máximo de 2,1 amperes, então por que isso não ocorre pelo menos nos tablets?

O que preciso fazer na minha configuração de teste para convencer os dispositivos a consumir sua corrente máxima de carregamento?

A razão pela qual seus dispositivos Apple / Samsung não são mais atuais é simples. Isso ocorre porque há uma comunicação de dados adicional entre o dispositivo Apple / Samsung e suas fontes de alimentação dedicadas. Isso faz com que os dois dispositivos se reconheçam e concordem em usar uma corrente mais alta. O carregador define certas tensões nas linhas de dados USB e isso é reconhecido pelo telefone ou tablet.

Seu suprimento de 20 A não fornece essas tensões nas linhas da data, portanto, não "conversa" com o dispositivo Apple / Samsung, portanto, eles assumem que é um carregador "burro" normal e não consomem mais corrente do que o permitido pelo padrão USB que geralmente é de apenas 100 ou 500 mA

Para carregar um dispositivo apple, coloque essas tensões nas linhas de dados:

corrente desejada: 2.000mA D-: 2.0V D +: 2.75V

Além disso, dependendo da carga da bateria, a corrente de carga também é limitada. Isso só será máximo quando a bateria estiver entre 30 e 70% carregada (esses números são apenas o meu palpite). Carregar com uma corrente alta faz mal à bateria quando ela está muito baixa ou quase cheia.

Fontes:

Adafruit: Os mistérios do carregamento de dispositivos da Apple

Voltaic: Escolhendo as tensões dos pinos USB

Aqui está um artigo mais completo que lista os conhecidos esquemas proprietários de identificação D + / D- do divisor de resistores para carregadores de alta potência. A essência é:

2.0V / 2.0V - baixa potência (500mA)

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

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

2.7V / 2.7V - 12 watts (2400mA, possivelmente usado pelo Blackberry)

D + / D- em curto - padrão USB-IF BC 1.2

1.2V / 1.2V - dispositivos Samsung

Os valores da Samsung coincidem com o que é indicado nesta ^{[fonte original]} esquemática via divisor de resistor de 10k / 33k para carregadores de tablet Galaxy 2A.

Como eu disse em meus outros comentários, há também são chips off-the-shelf que implementam alguns destes, por exemplo MAX14667 , TPS2513 , da Microchip USB2534 ou CYUSB3324 . A folha de dados deste último também fornece mais detalhes sobre dispositivos Samsung:

Os dispositivos Samsung seguem vários métodos de carregamento. Alguns dispositivos Samsung (Samsung Galaxy Tablets) usam um método de carregamento proprietário no qual os pinos D + e D- são influenciados pelo mesmo potencial (~ 1,2 V). Os dispositivos da série Samsung Galaxy S (S3, S4) seguem o padrão de carregamento USB-IF BC v1.2 para o modo de operações DCP, CDP e SDP.

O USB-IF BC 1.2 possui estes requisitos para o modo DCP:

• As linhas de dados D + e D– são conectadas em curto com uma impedância de série máxima de 200 Ω.

• Não deve cortar a fonte de alimentação até a tensão cair abaixo de 2V ou a corrente exceder 1,5A

• O consumo máximo de corrente absoluto permitido, mas não obrigatório, é o limite do conector USB 2.0, até 5A

Além disso, a nota do Cypress diz que o 2.7V / 2.7V -> 2.4A é [também] usado pela Apple. A discussão nos fóruns de TI nos quais os funcionários da TI entraram em contato (para o seu TPS2513A) indica o mesmo. Um funcionário da TI disse :

A partir do iPad3, a bateria de 42Whr é usada, o tempo de carregamento longo começa a se tornar um problema. Compare o tempo de carregamento, da bateria 0% a 100%, o carregador 2.1A leva 6 horas, o carregador 2.4A leva 5 horas e 40 minutos. Então, 20 minutos mais rápido, mas não muito.

Acreditamos que a principal razão pela qual o carregador da Apple release 2.4A é para uma melhor experiência do usuário ao carregar e reproduzir ao mesmo tempo. Ao jogar videogames de alta qualidade, como o Infinity II e carregar ao mesmo tempo, o aumento da porcentagem da bateria do meu iPad3 é muito muito lento; por exemplo, 30 minutos depois, apenas aumentamos 2%, o que me deixa louco.

Ao usar o carregador 2.4A, o status da bateria aumenta mais rapidamente, pelo menos eu me sinto normal, ok com ele.

A fonte de alimentação é mais do que capaz de produzir o máximo de 2,1 amperes, então por que isso não ocorre pelo menos nos tablets?

O padrão USB não permite que mais de 500mA sejam extraídos de uma porta USB 1 padrão. Até o dispositivo estabelecer comunicação com o dispositivo host USB, não há como saber quanta corrente está disponível.

O padrão USB realmente exige que os dispositivos consigam não mais que 100mA antes de se comunicar com o host e solicitar mais energia. Isso é importante porque um hub USB padrão sem energia consumirá 500mA - 100mA para si e 100mA para cada uma de suas portas. Isso significa que um hub não energizado não pode e não deve tentar fornecer 500mA a um dispositivo USB.

O padrão foi projetado desta maneira para suportar uma variedade de uso.

Obviamente, apenas a Apple segue o padrão e consome apenas 100mA antes de solicitar mais energia.

A realidade é que poucas portas USB são incapazes de fornecer 500mA sem serem solicitadas. Muitos nem sequer se preocupam em monitorar o consumo atual e desligar dispositivos USB não compatíveis. É quase sempre seguro extrair 500mA de uma porta USB sem solicitar a porta do host para obter o máximo de energia.

As especificações USB mais recentes permitem portas de maior potência. Novamente, porém, isso deve ser solicitado para estar em conformidade com a especificação.

Normalmente, os carregadores USB não são inteligentes e não implementam uma porta host USB completa. Eles usam alguns atalhos - geralmente usando resistores nas linhas D + e D- para sinalizar ao dispositivo USB que o carregador é capaz de obter mais energia sem uma solicitação oficial.

Além disso, alguns dispositivos, como a linha Apple iOS, também monitoram a voltagem fornecida e reduzem o consumo de corrente com base na queda de voltagem. Por exemplo, se um carregador relatar que pode fornecer 2A, mas a tensão não permanecer em 5V, o dispositivo iOS consumirá menos que a corrente máxima. Não carregará abaixo de 4.5V, nem acima de 5.5V. Portanto, o carregador não apenas apresenta os sinais corretos para indicar que a corrente total está disponível, mas também mantém uma boa regulação no consumo máximo de corrente.

Lembre-se de que esse é um recurso de segurança. Não apenas o dispositivo de carregamento precisa fornecer a corrente, mas o cabo USB usado precisa carregá-lo. Pode não parecer muita corrente, mas existem muitos cabos USB finos e muito baratos no mercado que aquecem visivelmente com 2A fluindo através de seus condutores de tamanho menor. Coloque isso embaixo de um travesseiro inflamável e deixe o calor acumular, e você poderá encontrar mais do que isolamento derretido.

A Apple não apenas verifica o carregador, mas também o cabo (usando seus chips proprietários dentro do conector do cabo) para evitar a responsabilidade por possíveis perdas associadas a carregadores e fiação perigosos.

Entretanto, enquanto você estiver usando o cabo que acompanha o dispositivo, você não deverá ter nenhum problema com esse aspecto e poderá se concentrar na sinalização do carregador.

O que preciso fazer na minha configuração de teste para convencer os dispositivos a consumir sua corrente máxima de carregamento?

O padrão da Apple foi adotado livremente por outros, ou é aceito por outros, e consiste em colocar níveis específicos de tensão nas linhas D- e D + a uma corrente baixa. Colocar aproximadamente 2.0V na linha D- e 2.75V na linha D + sinalizará que 2A (10W) está disponível para carregamento. Isso pode ser feito com resistores simples:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Se você seguir este circuito na sua configuração, deverá descobrir que pelo menos os dispositivos Apple carregam com 2 ou mais amperes e pode encontrar outros dispositivos também com essa taxa.

Você pode tentar usar o controlador de porta de carregamento dedicado .

De acordo com as especificações, ele pode detectar os seguintes esquemas de cobrança:

1. DCP do divisor 1, necessário para aplicar 2 V e 2,7 V nas linhas D + e D– respectivamente (TPS2513, TPS2514)
2. Divisor 2 DCP, necessário para aplicar 2,7 V e 2 V nas linhas D + e D– respectivamente (TPS2513, TPS2514)
3. Divisor 3 DCP, necessário para aplicar 2,7 V e 2,7 V nas linhas D + e D- respectivamente (TPS2513A, TPS2514A)
4. BC1.2 DCP, necessário para encurtar a linha D + à linha D–
5. Padrão chinês de telecomunicações YD / T 1591-2009 em curto, necessário para encurtar a linha D + à linha D–
6. 1,2 V nas linhas D + e D–

20 amperes é o que o suprimento é capaz de fornecer, e o que quer que você conecte precisa do que é necessário a partir de 20 amperes.

Por exemplo, se você tiver o suprimento configurado para uma saída de 5 volts e colocar um resistor de 5 ohms em sua saída, ele fornecerá 1 ampere ao resistor, porque é isso que o resistor deseja com 5 volts.

Você também pode colocar vinte resistores de 5 ohms na fonte, em paralelo, e ele fornecerá 1 ampere a cada um deles por um total de 20 amperes.

Um dispositivo USB consome apenas a quantidade de corrente que sabe que pode consumir definitivamente sem causar danos ao carregador. Os dispositivos Apple e Samsung não têm idéia do quanto é seguro extrair do seu carregador, portanto, eles recorrem ao padrão USB. O padrão USB diz "0,5 ampères é seguro". (Se o carregador se identificar como um carregador USB, mas não puder suportar 0,5 Ampere, isso não é culpa do telefone, mas o problema do carregador).

A única maneira de convencer o dispositivo a obter mais corrente é implementar a comunicação no carregador que aconteceria entre um dispositivo Apple e um carregador Apple, ou um dispositivo Samsung e um carregador Samsung. Não é muito difícil, e você pode comprar carregadores de qualidade decente a preços razoáveis. Seu carregador não faz isso, então 0,5 A é o limite.

Todos os dispositivos USB devem se comportar quando conectados a uma porta de dados USB, que fornecerá 100mA por padrão, 500mA quando "solicitados". É isso que você está recebendo.

Se você conectar os sinais Data + e Data- por meio de um pequeno resistor (para proteção .. algo em torno de 100 ohms), estará em conformidade com a especificação USB Battery Charging, que permite que um dispositivo consuma no mínimo 1,5A.