¿Cómo diseño una fuente de alimentación de 2A o más para mis dispositivos USB de consumo?

Entiendo que muchos de mis dispositivos de consumo cargados por puertos USB pueden cargar a velocidades superiores a 0.5A. Sin embargo, en las pruebas, descubrí que no consumen más que esto.

Configuración de prueba

• Tengo una fuente de alimentación que genera entre 0 y 30 voltios y de 0 a 20 amperios.
• Configuré el voltaje a 5 voltios, luego conecté un USB hembra a los cables correctamente.
• Cuando conecto un Samsung Galaxy S4 Mini, tira alrededor de 0,44 amperios. Es lo mismo con un Samsung Galaxy Tab Pro.
• Sin embargo, cuando conecto un iPad Air con un cable de iluminación oficial, solo alcanza alrededor de 0.11 amperios.
• Además, intenté conectar un reloj inteligente ZGPAX S28 y todavía tenía alrededor de 0.44-0.45 amperios.

La fuente de alimentación es más que capaz de generar el máximo de 2.1 amperios, entonces, ¿por qué no lo hace al menos en las tabletas?

¿Qué debo hacer en mi configuración de prueba para convencer a los dispositivos de que consuman su corriente de carga máxima?

La razón por la cual sus dispositivos Apple / Samsung no se actualizan más es simple. Esto se debe a que hay una comunicación de datos adicional entre el dispositivo Apple / Samsung y sus fuentes de alimentación dedicadas. Esto hace que ambos dispositivos se reconozcan y acuerden una corriente más alta para ser utilizada. El cargador establece ciertos voltajes en las líneas de datos USB y esto es reconocido por el teléfono o la tableta.

Su suministro de 20 amperios no suministra estos voltajes en las líneas de fecha, por lo que no "habla" con su dispositivo Apple / Samsung, por lo tanto, estos suponen que es un cargador "tonto" normal y no consumen más corriente de la permitida por el estándar USB que generalmente es de 100 o 500 mA

Para cargar un dispositivo Apple, coloque estos voltajes en las líneas de datos:

corriente deseada: 2,000mA D-: 2.0V D +: 2.75V

Además, dependiendo de qué tan llena esté la batería, la corriente de carga también es limitada. Solo será máximo cuando la batería tenga una carga del 30 al 70% (estos números son solo mi suposición). Cargar con una corriente alta es malo para la batería cuando está muy baja o casi llena.

Fuentes:

Adafruit: los misterios de la carga de dispositivos Apple

Voltaic: elección de voltajes de pin USB

Aquí hay un artículo más completo que enumera los esquemas de identificación D + / D- de resistencia-divisor patentados conocidos para cargadores de alta potencia. La esencia es:

2.0V / 2.0V - baja potencia (500mA)

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

2.7V / 2.0V - iPad de Apple (2100mA / 10 vatios)

2.7V / 2.7V - 12 vatios (2400mA, posiblemente usado por Blackberry)

D + / D- en cortocircuito - USB-IF BC 1.2 estándar

1.2V / 1.2V - dispositivos Samsung

Los valores de Samsung coinciden con lo que se indica en este esquema ^{[fuente original] a} través del divisor de resistencia de 10k / 33k para cargadores de tabletas Galaxy 2A.

Como dije en mis otros comentarios, también hay chips listos para usar que implementan algunos de estos, por ejemplo , MAX14667 , TPS2513 , Microchip's USB2534 o CYUSB3324 . La hoja de datos de este último también proporciona más detalles sobre los dispositivos Samsung:

Los dispositivos Samsung siguen múltiples métodos de carga. Algunos dispositivos Samsung (tabletas Samsung Galaxy) usan un método de carga patentado en el cual los pines D + y D- están sesgados al mismo potencial (~ 1.2 V). Los dispositivos de la serie Samsung Galaxy S (S3, S4) siguen el estándar de carga USB-IF BC v1.2 para las operaciones DCP, CDP y SDP.

El USB-IF BC 1.2 tiene estos requisitos para el modo DCP:

• Las líneas de datos D + y D– se acortan juntas con una impedancia máxima en serie de 200 Ω.

• No debe cortar la fuente de alimentación hasta que el voltaje caiga por debajo de 2V o la corriente exceda 1.5A

• El consumo de corriente máximo absoluto permitido pero no requerido es el límite del conector USB 2.0, hasta 5A

Además, la nota de Cypress dice que Apple usa también el 2.7V / 2.7V -> 2.4A. La discusión en los foros de TI en los que los empleados de TI intervinieron (para su TPS2513A) indica lo mismo. Un empleado de TI dijo :

A partir de iPad3, se usa una batería de 42 Wh, el tiempo de carga prolongado comienza a convertirse en un problema. Compare el tiempo de carga, desde la batería del 0% al 100%, el cargador 2.1A tarda 6 horas, el cargador 2.4A tarda 5 horas y 40 minutos. Entonces 20 minutos más rápido, pero no mucho.

Creemos que la razón clave por la que Apple lanza el cargador 2.4A es para una mejor experiencia del usuario al cargar y jugar al mismo tiempo. Cuando juego videojuegos de alta calidad, como Infinity II y carga al mismo tiempo, el aumento del porcentaje de batería de mi iPad3 es muy lento, por ejemplo, 30 minutos después, solo aumenta un 2 por ciento, lo que me vuelve loco.

Mientras uso el cargador 2.4A, el estado de la batería aumenta más rápido, al menos me siento normal, de acuerdo.

La fuente de alimentación es más que capaz de generar el máximo de 2.1 amperios, entonces, ¿por qué no lo hace al menos en las tabletas?

El estándar USB no permite extraer más de 500 mA de un puerto USB 1 estándar. Hasta que el dispositivo establezca comunicación con el dispositivo host USB, no tiene forma de saber cuánta corriente hay disponible.

El estándar USB en realidad requiere que los dispositivos no consuman más de 100 mA antes de comunicarse con el host y solicitar más energía. Esto es importante porque un concentrador USB sin alimentación estándar consumirá 500mA - 100mA por sí mismo y 100mA por cada uno de sus puertos. Esto significa que un concentrador sin alimentación no puede ni debe intentar suministrar 500 mA a un dispositivo USB.

El estándar fue diseñado de esta manera para admitir una variedad de usos.

Obviamente, solo Apple sigue el estándar y consume solo 100 mA antes de solicitar más energía.

La realidad es que pocos puertos USB no pueden suministrar 500 mA sin que se les solicite. Muchos ni siquiera se molestan en monitorear el consumo de corriente y apagar dispositivos USB no conformes. Casi siempre es seguro extraer 500 mA de un puerto USB sin pedirle al puerto host la máxima potencia.

Las nuevas especificaciones USB permiten puertos de mayor potencia. Sin embargo, nuevamente, se debe solicitar que cumpla con la especificación.

Los cargadores USB generalmente no son inteligentes y no implementan un puerto host USB completo. Usan algunos atajos, generalmente usan resistencias en las líneas D + y D- para indicar al dispositivo USB que el cargador es capaz de obtener más potencia sin una solicitud oficial.

Además, algunos dispositivos, como la línea Apple iOS, también controlarán el voltaje proporcionado y reducirán el consumo de corriente en función de la caída de voltaje. Por ejemplo, si un cargador informa que puede suministrar 2A, pero el voltaje no permanece en 5V, el dispositivo iOS consumirá menos de la corriente máxima. No se cargará por debajo de 4.5V, ni por encima de 5.5V. Por lo tanto, el cargador no solo debe presentar las señales correctas para indicar que la corriente completa está disponible, sino que debe mantener una buena regulación en el consumo de corriente máximo.

Tenga en cuenta que esta es una característica de seguridad. El dispositivo de carga no solo debe poder suministrar la corriente, sino que el cable USB utilizado debe poder transportarlo. Puede que no parezca mucha corriente, pero hay muchos cables USB delgados muy baratos en el mercado que se calentarán notablemente con el flujo de 2A a través de sus conductores de menor tamaño. Ponga eso debajo de una almohada inflamable y deje que el calor se acumule, y podría encontrar algo más que aislamiento derretido.

Apple no solo verifica el cargador, sino también el cable (usando sus chips patentados dentro del conector del cable) para que puedan evitar la responsabilidad por posibles pérdidas asociadas con cargadores y cableado peligrosos.

Sin embargo, siempre que esté utilizando el cable que viene con el dispositivo, no debería tener ningún problema con este aspecto y puede centrarse en la señalización del cargador.

¿Qué debo hacer en mi configuración de prueba para convencer a los dispositivos de que consuman su corriente de carga máxima?

El estándar de Apple ha sido adoptado libremente por otros, o es aceptado por otros, y consiste en colocar niveles de voltaje específicos en las líneas D- y D + a una corriente baja. Colocando aproximadamente 2.0V en la línea D, y 2.75V en la línea D + indicará que 2A (10W) está disponible para cargar. Esto se puede hacer con resistencias simples:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Si sigue este circuito en su configuración, debería encontrar que al menos los dispositivos Apple se cargan a 2 o más amperios, y puede encontrar que sus otros dispositivos también se cargan a esta velocidad.

Puede intentar usar un controlador de puerto de carga dedicado .

De acuerdo con las especificaciones, puede detectar los siguientes esquemas de carga:

1. Divisor 1 DCP, requerido para aplicar 2 V y 2.7 V en las líneas D + y D– respectivamente (TPS2513, TPS2514)
2. Divider 2 DCP, requerido para aplicar 2.7 V y 2 V en las líneas D + y D– respectivamente (TPS2513, TPS2514)
3. Divider 3 DCP, requerido para aplicar 2.7 V y 2.7 V en las líneas D + y D- respectivamente (TPS2513A, TPS2514A)
4. BC1.2 DCP, requerido para acortar la línea D + a la línea D–
5. Estándar de telecomunicaciones chino YD / T 1591-2009 Modo en corto, requerido para acortar la línea D + a la línea D–
6. 1.2 V en las líneas D + y D–

20 amperios es lo que el suministro es capaz de entregar, y lo que sea que conecte toma lo que necesita de esos 20 amperios.

Por ejemplo, si tiene el suministro configurado para una salida de 5 voltios y coloca una resistencia de 5 ohmios en su salida, suministrará 1 amperio a la resistencia porque eso es todo lo que la resistencia quiere con 5 voltios.

También podría colocar veinte resistencias de 5 ohmios en el suministro, en paralelo, y suministrará 1 amperio a cada uno de ellos para un total de 20 amperios.

Un dispositivo USB solo consumirá la cantidad de corriente que sabe que definitivamente puede extraer sin dañar el cargador. Los dispositivos Apple y Samsung no tienen idea de cuánto es seguro extraer de su cargador, por lo tanto, recurren al estándar USB. El estándar USB dice "0.5 Amperios es seguro". (Si el cargador se identifica a sí mismo como un cargador USB pero no puede manejar 0.5 Amperios, eso no es culpa del teléfono sino el problema del cargador).

La única forma de convencer al dispositivo para que tome más corriente es implementar la comunicación en el cargador que sucedería entre un dispositivo Apple y un cargador Apple, o un dispositivo Samsung y un cargador Samsung. No es muy difícil, y puedes comprar cargadores de calidad decente a precios razonables para hacerlo. Su cargador no lo hace, entonces 0.5 A es el límite.

Todos los dispositivos USB tienen que comportarse cuando se conectan a un puerto de datos USB, que suministrará 100mA por defecto, 500mA cuando se "solicite amablemente". Eso es lo que estás obteniendo.

Si conecta las señales Data + y Data- juntas a través de una pequeña resistencia (para protección ... algo alrededor de 100 ohmios), cumplirá con la especificación de carga de batería USB, que permite que un dispositivo extraiga un mínimo de 1.5A.