Ориентируясь на высокий интерес читателей к теме разъёмов USB-C, мы публикуем продолжение серии статей, посвящённых различным особенностям этого решения. Текущая публикация познакомит вас с нюансами использованием USB-C для запитывания различных устройств.
Предыдущие статьи можно почитать здесь:
Технология USB-C приходит на смену проприетарным круглым разъёмам зарядных устройств, которые мы привыкли использовать для ноутбуков и огромного числа других девайсов. Она соперничает с проприетарными разъёмами телефонных зарядок, постепенно делая их «изгоями» и подталкивая производителей к переходу на использование универсальных широкодоступных решений. Любителям мастерить электронику своими руками больше нет нужды использовать крохотные разъёмы MicroUSB и несоответствующие спецификации кабели, чтобы подать 3 А на свой жаждущий тока Pi 4. Сегодня для этого достаточно иметь гнездо USB-C с двумя резисторами или специальной микросхемой, если резисторы стоящую задачу решить неспособны.
Используя USB-C, вы получаете гораздо большую отдачу от вложенных средств. Это касается и питания, ведь не всем устройствам достаточно 15 Вт – некоторые требуют большего. Об этом и будет наша статья. В ней мы разберёмся, как можно обеспечить для вашего девайса бо́льшую мощность через USB-C.
▍ Как получить больше?
Источники питания с USB-C всегда поддерживают 5 В, и некоторые из них этим ограничиваются, но нас также интересует поддержка более высоких напряжений. Для USB-C типичными решениями являются 5 В, 9 В, 15 В и 20 В. Поддержка 12 В является второстепенной и представляет, скорее, условность. Перечисленные уровни напряжения относятся к стандартному диапазону (SPR) и дополняются расширенным диапазоном (EPR), который включает 28 В, 36 В, 48 В – и так далее вплоть до 240 В. Для этого требуются новые кабели, зато такое решение является полностью прямо- и обратносовместимым, а также абсолютно безопасным, благодаря проверкам кабелей и устройств, которые позволяет выполнять USB-C.
Зарядка должна поддерживать все перечисленные уровни напряжения, находящиеся ниже её номинала. То есть зарядное устройство на 20 В также должно поддерживать 5 В, 9 В и 15 В. На практике в большинстве случаев так и есть, хотя бывает, что некоторые устройства один-два уровня пропускают. При этом вы также можете получать некие промежуточные значения напряжения, вплоть до 3,3 В, даже при использовании стандарта PD (Power Delivery) под названием PPS (или стандарта AVS для зарядных устройств EPR-диапазона) – это не требование спецификации, но на деле довольно многие БП с USB-C такую возможность обеспечивают, а поддержка PPS обычно указывается в маркировке.
Хотя получить больше 5 В за счёт одних только резисторов не выйдет – потребуется цифровая коммуникация через линию СС при помощи протокола USB PD, который позволяет устройству и БП согласовывать требования по питанию. Это двунаправленный протокол с постоянной скоростью, в котором присутствуют проверки CRC, а также установлены требования ко времени отклика. Используется этот протокол для всех решений с USB-C, в том числе для согласования высокоскоростной передачи. Самое же главное, что USB-C PD имеет огромный потенциал.
Существует огромное число возможностей коммуникации через USB-C, что позволяет нам создавать «умнейшие» устройства. Этот интерфейс очень хорошо продуман. Осуществляемые по нему коммуникации являются прямо- и обратносовместимыми. При этом новые зарядные устройства на 140 Вт EPR с лёгкостью заряжают старые устройства на 60 Вт с соответствующей скоростью, а зарядки на 60 Вт способны неспешно заряжать девайсы на 140 Вт. Возможности USB PD намного шире, чем обеспечение «такого-то тока с таким-то напряжением» — устройства могут опрашивать друг друга на предмет предпочтительной роли мастер/слэйв, обмениваться этими ролями на лету, узнавать состояние зарядки, определять возможности кабеля и делать всё это с оглядкой на безопасность.
▍ Каждому по док-станции
Если вы ещё не оценили всю многогранность этого решения, то позвольте познакомить вас со сложным сценарием, который упрощается с помощью USB-C. Представьте себе док-станцию с портом USB 3, HDMI-портом и гнездом USB-C для зарядки. Если подключить эту станцию к ноутбуку без зарядки, ноутбук подаст на неё ток 1,5 А или 3 А с напряжением 5 В. Одно только это уже оказывается весьма полезным, когда вам одновременно нужен HDMI и дополнительный порт USB 3, а ведь некоторые станции оснащены ещё и Ethernet-портом. В общем, суть в том, что док-станция выступает в роли потребителя энергии, а ноутбук – в роли её источника. Однако эти роли меняются местами, как только мы подключаем к станции высоковольтную зарядку.
Микросхема в гнезде станции обнаруживает зарядное устройство и выступает в качестве посредника, связывая ноутбук и это устройство с помощью PD. При этом она определяет их требования к питанию и возможности. Предположим, ноутбуку требуется ток 3 А с напряжением 20 В, который зарядка без проблем может обеспечить. Промежуточная микросхема попросит ноутбук прекратить подавать 5 В и подготовиться к зарядке от высоковольтного источника. Как только ноутбук это подтвердит, он попросит зарядное устройство поднять напряжение тока, который теперь уже получает он. Буквально за секунду система полностью перестроилась – вместо работы от выдаваемых ноутбуком 5 В теперь док-станция сама передаёт этому ноутбуку ток с напряжением 20 В от зарядки, попутно получая из этих 20 В питание и для своих нужд.
Такая смена ролей происходит очень быстро – за это время ваши устройства c USB 3 и HDMI не испытают провала в питании, и высокоскоростные взаимодействия не будут прерваны. Напряжение 20 В не подаётся на выводы, предназначенные только для 5 В – в док-станции для этого реализована регуляция питания и стробирование. Станция также будет работать, если ваш ноутбук или телефон не поддерживает вывод видео по USB-C, в случае чего всё, кроме HDMI-порта, будет функционировать штатно. Если же ноутбук не поддерживает зарядку по USB-C, тогда согласование этой процедуры провалится без последствий.
Микросхема док-станции знает бюджет мощности своих портов USB 3 и HDMI, вычитая его из запаса мощности зарядки перед подачей питания на ноутбук. При этом ноутбук точно знает, сколько мощности он способен потребить, и может в рамках этого лимита запитывать всю подключённую периферию, не перегружая зарядное устройство. Если используемое оборудование соответствует стандартам USB-C, то пользователю не нужно предпринимать каких-либо мер предосторожности – риски отсутствуют.
Дополнительно радует, что купить подобную док-станцию можно онлайн всего за 10$. Все описанные выше возможности не являются делом случая или техническим ухищрением – USB-C изначально спроектирован для всего этого и не только. Как потребителю вам больше не нужно покупать ноутбук бизнес-класса, чтобы получить полноценную док-станцию с одним кабелем – многие рядовые ноутбуки и телефоны с гнёздами USB-C для передачи данных и зарядки способны без проблем обеспечить все эти возможности.
▍ Как происходит взаимодействие?
Если вас интересуют тонкости технологических новшеств в потребительской и хакерской сфере, то USB-C однозначно относится к области футуристических технологий. Вы также заслуживаете знать всё о принципах его работы, поэтому приглашаю ознакомиться с основами передачи питания по протоколу Power Delivery.
Предположим, у вас в ноутбуке есть гнездо для зарядного устройства. Это устройство производит подтягивание на линии CC, ноутбук его обнаруживает, и если он поддерживает возможность зарядки по USB-C, то стягивает сигнал на линии CC вниз. После этого зарядное устройство будет обеспечивать 5 В, находясь в готовности получить запрос на более высокое напряжение. Как видите, для получения доступа к более высокому уровню напряжения сначала нужно пройти путём 5 В и аналоговой коммуникации. Установите резисторы 5,1 кОм на контакты CC, получите 5 В и попросите БП подать ток с более высоким напряжением.
Резисторы в процессе коммуникации остаются подключены – в действительности подтягивающий и стягивающий резисторы должны присутствовать постоянно, чтобы зарядка могла продолжать подавать ток, даже при напряжении выше 5 В. Напряжение линии CC используется для того, чтобы БП мог быстро определить отключение и подключение устройства – это помогает обеспечить безопасность, например, уменьшить дугообразование при отключении кабеля и гарантировать выход зарядки из режима подачи высокого тока, чтобы она не спалила очередное подключённое устройство – такая проблема реально присутствовала в некоторых первых зарядных устройствах с USB-C.
Напряжение на шине в состоянии покоя создаётся резисторным делителем
В результате цифровая передача сигнала накладывается на напряжение линии CC. Можно сказать, что PD является полуцифровым протоколом. Эта особенность PD вместе с такими требованиями, как подача напряжения по линии VCONN к неиспользуемому в данный момент контакту для проверки высокоскоростных кабелей или кабелей с поддержкой более 3 А тока, делает проблемным подключение контактов СС к периферии UART и аналогичным устройствам. Однако существуют микроконтроллеры с возможностью подключения периферии по PD – как западного, так и восточного стандартов – а также работающие на этом протоколе микросхемы, которые можно подключить к микроконтроллеру через I2C, если в нём таковая отсутствует.
Возможность взаимодействия по протоколу PD делает USB-C доступным для хакерских манипуляций. Хотя вам не обязательно понимать PD, если вас интересует лишь получение через USB-C высокого напряжения.
▍ Дайте мне двадцать вольт
Вы можете купить подходящую микросхему, которая будет говорить на языке PD за вас. Возможно, вы слышали о «триггерных платах с поддержкой PD» — это небольшие платы с гнездом USB-C, двумя контактами для выхода напряжения, иногда с возможностью делать перемычки припоем и всегда с микросхемой, знающей словарь PD в достаточной степени, чтобы запросить у БП напряжение 20 В или 9 В. Нам знакомы примеры использования хакерами PD-триггеров и микросхем для переделывания старых ноутбуков и более мощных девайсов под получение питания от зарядок с USB-C в случаях, когда производитель явно такое не предполагал.
Кастомная коммутационная плата для CH224K в сборе
Существует много разных триггерных микросхем. Мы видели, как любители успешно использовали IP2721 и недавно экспериментировали с CH224K. Однако большинство из нас просто покупают небольшую плату, где уже всё впаяно, не заморачиваясь с конкретными микросхемами. Тем не менее — если вы надумаете собрать устройство с портом USB-C под высокое напряжение, то ввиду возможного отсутствия товара на складе и прочих похожих ситуаций желательно иметь некоторый выбор.
PD-триггеры не являются идеальным решением для всего. Предположим, вы хотите запитать резистивную нагрузку 8 Ом через USB-C – рассмотрим в качестве примера паяльник, понимающий PD. Его жалу нужно получать 2,5 А тока при 20 В и 1,9 А при 15 В. Зарядка на 60 Вт способна обеспечить 3 А при 20 В, так что без проблем запитает вашу нагрузку, и вы можете спокойно настроить триггер на 20 В, впаяв перемычку. Но вот зарядка на 45 Вт сможет обеспечить лишь 2,25 А при 20 В, и нагрузка 8 Ом заставит её уйти в защиту от токовой перегрузки – в этом случае, несмотря на доступность режима 20 В, вам нужно использовать 15 В.
Подобная логика не закладывается в микросхемы триггерных плат, в связи с чем и появляются проекты вроде PD Buddy Sink, в которых микросхему PD совмещают с микроконтроллером, способным обрабатывать более сложную логику.
На деле триггеры не настроены сообщать вам какую-либо информацию о лимитах по току. Если существует риск его превышения из-за того, что зарядное устройство не может обеспечить 3 А при запрашиваемом платой напряжении, то вам придётся убедиться, что в зарядке реализована защита от токовой перегрузки. Стандарт USB-C требует реализации такой защиты, и большинство производителей этого требования придерживаются. Тем не менее вас вряд ли устроит, если ваше устройство будет переподключаться каждые несколько секунд.
Кроме того, если вам нужен порт с поддержкой режимов мастер/слэйв, работающий с переходниками OTG или, быть может, способный к высокоскоростной передаче, триггер вам не поможет, и вы не можете просто подключить несколько микросхем PD, запрашивающих разные функции, к контактам CC параллельно. Эти ограничения можно попробовать обойти в последующих статьях – сейчас же просто знайте, что триггерные платы имеют чётко определённое место в вашем арсенале USB-C, и они помогут вам в проектах, подразумевающих работу с более высоким напряжением.
▍ Хочу обеспечить двадцать вольт
Что, если у вас есть БП на 20 В с круглым разъёмом, который вы хотите превратить в зарядку с USB-C с тем же напряжением? Тут есть свои нюансы – нельзя просто подать ток с напряжением 20 В на USB-C порт ноутбука и ожидать, что тот будет заряжаться. По факту, если так и сделать, то ноутбук даже может сгореть. В некоторых устройствах от этого есть защита, но мне встречались случаи, когда подобные манипуляции вызывали появление магического дыма, и я не хочу, чтобы такое произошло с вами. Если хотите сделать всё подобающим образом, вам нужно пройти этап согласования по протоколу PD, изначально ограничив напряжение подаваемого тока пятью вольтами.
В сети продаются переходники, которые могут взять на себя вопрос согласования по PD и обеспечение базовых 5 В без промежуточных шагов, но вы вполне можете обойтись и без них, если знаете, что вашему устройству нужно именно 20 В. Вам также потребуется убедиться, что эти 20 В находятся в подходящем диапазоне. Иногда это проверяет переходник, и порой устройство не возражает. Также есть немало схем БП с USB-C и DC-входом, в которых реализовано активное преобразование – так что ваши БП на 12 В, 19 В и 24 В можно успешно задействовать для устройств с USB-C.
▍ Не всякое питание хорошо
Запитывание устройств по USB-C имеет свои подвохи. Один из них связан с соединением двух портов, поддерживающих режимы мастер/слэйв – например, ноутбука и пауэрбанка. И тот и другой могут либо подавать питание, либо потреблять его для зарядки, и в случае с USB-C они используют для обеих этих функций один порт. В результате — если вы хотите зарядить свой крутой ноутбук от пауэрбанка, то можете удивиться, когда вместо этого ноутбук начнёт заряжать пауэрбанк. То же самое может произойти, если подключить к ноутбуку телефон. Такое случается не очень часто, и некоторые производители пауэрбанков, похоже, научились избегать подобных казусов. Однако другие виды устройств по-прежнему могут быть им подвержены.
На сайте Dell можно найти много подобных забавных историй потребителей, исправляющих проблемы работы своих ноутбуков с устройствами других производителей.
Перевод:
Кейс 2: Ноутбук Latitude 7480, спроектированный под потребление 65 Вт, но по возможности потребляющий до 90 Вт. Если подключить к нему источник питания 30 Вт, он покажет 30 Вт. При подключении 65 Вт — покажет 65 Вт. Если подключить его к док-станции Dell, способной обеспечить до 90 Вт, он покажет 90 Вт. А вот при зарядке этого ноутбука от источника 90 Вт сторонней фирмы он будет показывать 65 Вт, хотя системы других производителей (не Dell) на его месте будут принимать от этого источника корректные 90 Вт.Кейс 3: Ноутбук XPS 15 9570, спроектированный под потребление 130 Вт. Эта его характеристика фактически выходит за максимальные 100 Вт, установленные спецификацией USB-C. Но инженеры Dell реализовали в нём проприетарное решение, как и в ряде других систем и док-станций (например, WD19TB) на 130 Вт, расширив возможности USB-C для обеспечения данной мощности. Они также выпустили под это дело адаптер питания с USB-C, поддерживающий 130 Вт. Однако если вы подключите этот ноутбук к источнику питания на 90 Вт сторонней фирмы, то он также покажет 65 Вт...
В стандарте USB-C есть положения об обмене информацией относительно уровня заряда батареи, но мне кажется, что им следуют не все. Некоторые устройства, предоставляющие пользователям возможность управления на уровне USB-C, показывают меню, в котором можно эту информацию посмотреть. Такой функционал доступен в некоторых современных телефонах и Chromebook. Пауэрбанки же, имеющие всего одну кнопку управления, и то не всегда, могут такое не поддерживать, как и многие ноутбуки. Так что нам остаётся лишь ждать появления некоего конечного решения, под которое производители будут стандартизировать свои продукты.
USB-C также позволяет использовать цифровые подписи для верификации устройства. Если читать между строк, то здесь попахивает DRM, и так оно и есть. Ряд производителей, особенно из тёмной триады HP/Dell/Lenovo, реализуют средства DRM, которые вызывают в ноутбуке троттлинг ЦПУ при подключении неоригинальной зарядки или кабеля – даже если они обеспечивают те же 100 Вт. Это в некотором смысле разумно, когда в Dell так поступают в случаях передачи 6 А через проверенную комбинацию зарядки, кабеля и ноутбука. Но будем честны, добросовестным решением было бы использовать EPR и 140 Вт, ну а троттлинг непростителен в любом случае.
Что касается ноутбуков – если вы вдруг решите поискать такой, который обеспечивает на своём порту USB-C более 5 В, то желаю удачи. Насколько мне известно, подобных ноутбуков не существует, и вам в таком случае потребуется зарядка или пауэрбанк.
▍ Но все же мы в выигрыше
Для источников питания с переключением режимов нет каких-либо веских причин быть жёстко привязанными к определённому напряжению, и USB-C разрушает эти оковы. Теперь вы можете получить 3 А при 9 В или 20 В от зарядки на заправке или от небольшой дешёвой платы и даже заряжать литий-ионные аккумуляторы от зарядного устройства PPS. В USB-C кроется большой потенциал, и мы только начинаем его осваивать. Постепенно проприетарные разъёмы и зарядки с дурацкими уровнями напряжения полностью вымрут, и мы забудем о них, также как забыли обо всех стандартах телефонных кабелей для передачи данных после появления MicroUSB. Вспомните, сколько проприетарных портов под кабели данных создали в одной только компании Samsung.
Автор: Дмитрий Брайт
