После прочтения вот этот пост и сопутствующее обсуждение я решил попытаться разъяснить, что такое USB Power Delivery и как она на самом деле работает. К сожалению, у меня сложилось впечатление, что большинство участников обсуждения воспринимают 100 Вт по USB слишком буквально, и не до конца понимают, что за этим стоит на уровне схемотехники и протоколов.
Итак, кратко – основные моменты:
- USB PD определяет 5 стандартных профилей питания: до 5 В при 2 А, до 12 В при 1,5 А, до 12 В при 3 А, до 12–20 В при 3 А и до 12–20 В при 4,75–5 А.
- Кабели и порты Power Delivery сертифицированы и имеют дополнительные контакты в разъеме.
- Тип кабеля и его соответствие профилю определяются автоматически посредством дополнительных контактов и определения типа USB-разъема (микро, стандарт, А, Б и т.д.)
- Обычные USB-кабели (не Power Delivery) сертифицированы только по первому профилю до 5В@2А.
- При подключении роли распределяются между теми, кто обеспечивает ток ( Источник / Источник ) и кто потребляет ( Раковина/приемник )
- Источник и получатель обмениваются сообщениями, используя специальный протокол, который работает параллельно традиционному USB.
- Протокол использует пару VBus/GND в качестве физической среды.
Именно поэтому Power Delivery не зависит от основного протокола USB и обратно совместим с USB 2.0 и 3.0.
- С помощью сообщений источник и приемник могут в любой момент поменяться ролями, изменить ток и/или напряжение, перейти в спящий режим или проснуться и т. д.
- Опционально устройства могут поддерживать управление PD через традиционные USB-запросы, дескрипторы и т. д.
О кобелях О кабелях
USB Power Delivery работает с шестью типами разъемов:
Соответственно, в паре допустимы следующие типы соединений:
- USB 3.0 ПД Стандарт-А <-> Разъем USB 3.0 PD Standard-B
- USB 3.0 ПД Стандарт-A <-> Разъем USB 3.0 PD Micro-B
- USB 3.0 ПД Микро-А <-> Разъем USB 3.0 PD Micro-B
- USB 3.0 ПД Микро-А <-> Разъем USB 3.0 PD Standard-B
- USB 2.0 ПД Стандарт-A <-> Разъем USB 2.0 PD Standard-B
- USB 2.0 ПД Стандарт-A <-> Разъем USB 2.0 PD Micro-B
- USB 2.0 ПД Микро-А <-> Разъем USB 2.0 PD Micro-B
- USB 2.0 ПД Микро-А <-> Разъем USB 2.0 PD Standard-B
О портах
После сертификации USB PD порты маркируются следующим образом:
Этот логотип сообщает о версии USB (2.0 или 3.0 SuperSpeed), а также о профилях питания, которые поддерживает этот порт. Значение «I» означает потребляемый профиль, необходимый для полноценного функционирования устройства, а значение «O» указывает, какой профиль может предоставить порт. Примеры маркировки портов:
- Первый порт поддерживает USB2. Он может подавать профиль 1 (2 А при 5 В) и использовать профиль 3 (5 В при 2 А или 12 В при 3 А) для полноценной работы.
Например порт для планшета или нетбука.
- Второй порт поддерживает USB2. Он может подавать питание по профилю 2 (2 А при 5 В или 12 В при 1,5 А) и использовать профиль 4 (5 В при 2 А, 12 В при 3 А или 20 В при 3 А) для полноценной работы.
Например, порт для ноутбука или ноутбука.
- Третий порт поддерживает USB3. Он обеспечивает питание только в соответствии с профилем 1 (5 В при 2 А).
Сам он не питается через VBus. Например порт десктопа, монитора, телевизора и т.д.
- Четвертый порт поддерживает USB3. Как и в первом примере, он может обеспечивать питание по профилю 1 (5 В при 2 А), а для полноценной работы ему требуется питание по профилю 3 (5 В при 2 А или 12 В при 3 А).
Придумайте пример сами :)
Физический канал
USB PD определяет физическую конструкцию кабельного соединения следующим образом:
Как видно из схемы, USB PD также требует, чтобы и источник, и приемник реализовали схемы обнаружения падения/скачка напряжения, а также методы определения разряда батареи для случаев, когда одна из сторон не может получить питание от своего внутреннего источника.
.
Для определения разряженной батареи предложены следующие алгоритмы.
Если с одной стороны между экраном и землей появляется сопротивление 1 кОм, это говорит о том, что ее аккумулятор разряжен.
В такой ситуации другая сторона берет на себя роль источника и начинает подавать минимум 5В, чтобы обеспечить питание другой стороны через VBus и начать обмен сообщениями по протоколу USB PD. Как упоминалось ранее, протокол USB PD использует линию VBus для обмена сообщениями.
Ниже представлена блок-схема, определяющая ключевые функциональные элементы передатчика: 
И соответственно такая же структурная схема приемника: 
Последовательное кодирование 4b5b и декодирование 5b4b означают, что все данные по шине, кроме преамбулы пакета, передаются в пятибитных последовательностях в соответствии с таблицей кодирования, определенной стандартом.
Каждая такая последовательность кодирует либо одну из 16 цифр (0x00.0x0F), либо начало/синхронизацию/сброс и конец сигналов пакета.
Так, передача одного байта занимает 10 бит, 16-битного слова — 20 бит, 32-битного двойного слова — 40 бит и т. д.
Логический канал
Протокол USB PD основан на последовательных парах запрос-ответ. Запросы и ответы передаются с помощью пакетов.
Пакеты состоят из преамбулы (подготовительный этап), начала пакета SOP (три сигнала Sync-1 и финальный Sync-2 в кодировке 4b5b), заголовка, 0.N байт полезной нагрузки, контрольной суммы (CRC-32 ) и пакет сигнала завершения (одиночный сигнал EOP): 
Как уже говорилось выше, преамбула не кодируется в 4b5b. SOP, CRC и EOP кодируются 4b5b на физическом уровне, заголовок и полезная нагрузка кодируются на уровне логического протокола.
Сброс шины выполняется путем отправки трех сигналов RST1 и финального сигнала RST2 в соответствии с кодировкой 4b5b.
Протокол
Все сообщения USB PD состоят из заголовка и фрагмента данных произвольной длины.Сообщения либо генерируются на уровне логического протокола и затем пересылаются на физический уровень, либо принимаются на физическом уровне и затем пересылаются на уровень логического протокола.
Заголовок сообщения имеет фиксированную длину 16 бит и состоит из следующих полей: 
Сообщения бывают двух типов: управляющие сообщения и информационные сообщения.
Управляющие сообщения
Управляющие сообщения состоят только из заголовка и CRC. Количество объектов данных для таких сообщений всегда установлено равным 0. Типы управляющих сообщений USB PD представлены в таблице ниже:
Отдельно следует отметить, что поля вида tSourceActivity , тсинкрекуест и т. д. — это константы, значения которых глобально указаны самой спецификацией в отдельной главе.
Это было сделано потому, что они были определены экспериментально в результате прототипирования, а найденные оптимальные значения просто подставлены в отдельную главу, чтобы не рыскать по всей спецификации.
Информационные сообщения
Сообщения данного типа предназначены для получения подробной информации об источнике или приемнике, а также для передачи запрошенных характеристик источника питания – тока, напряжения и т. д. Сообщения с данными всегда содержат ненулевое значение в поле «Количество объектов данных».поле.
Спецификация определяет четыре типа информационных сообщений:
- Объект данных мощности t (PDO) – используется для описания характеристик порта источника или требований приемника.
- Запросить объект данных (RDO) – используется портом приемника для установки соглашений об источнике питания.
- БИСТ (Встроенное самотестирование) Объект данных (BDO) – используется для проверки соединения на соответствие требованиям спецификации для физического соединения.
- Объект данных поставщика (VDO) — используется для передачи нестандартной, дополнительной или другой служебной информации, определяемой производителем оборудования и выходящей за рамки спецификации USB PD.
Сообщение о характеристиках Исходный порт всегда должен сообщать свои характеристики получателю, отправляя серию 32-битных объектов PDO. Информация, передаваемая через эти объекты, используется для определения возможностей источника, в том числе возможности работы в режиме приемника.
Сообщения о функциях представлены в виде одного или нескольких объектов, следующих за заголовком: 
Характерные сообщения передаются:
- От источника к приемнику через определенный интервал времени, при прямом кабельном соединении.
Источник должен продолжать отправлять сообщения в течение одной минуты после подключения, пока не будет установлено успешное соглашение о мощности или пока получатель не вернет RDO с флагом несоответствия возможностей.
- От источника к приемнику с целью принудительного восстановления договора электроснабжения или изменения характеристик.
- В ответ на управляющие сообщения Get_Source_Cap или Get_Sink_Cap
Например, встроенный аккумулятор 2,8-4,1В, стационарный блок питания 12В и т.п.
Все блоки питания должны поддерживать напряжение не менее 5В и соответственно каждый источник должен иметь хотя бы один PDO, соответствующий профилю с характеристиками 5В.
PDO, соответствующий элементу с постоянным питанием 5В, всегда должен идти первым в цепочке объектов.
Структура объекта PDO: 
Каждый тип источника питания имеет разные характеристики.
Постоянный тип питания, постоянное напряжение.
В источнике должен быть хотя бы один такой элемент: 
Программируемый тип источника питания, напряжение можно регулировать по запросам между минимальным и максимальным: 
Переменная тип источника питания, напряжение может изменяться в заданных пределах абсолютного минимума и абсолютного максимума, но не подлежит регулированию: 
Батарея , этот тип используется для обозначения аккумуляторов, которые можно напрямую подключать к линии VBus: 
Запросить сообщение
Сообщения запроса отправляются приемником источнику для передачи его требований на этапе установления соглашения о мощности.
Это сообщение отправляется в ответ на сообщение о характеристиках и должно содержать один и только один объект данных запроса, RDO, который описывает необходимую информацию о характеристиках мощности для приемника.
Этот запрос имеет два типа в зависимости от типа адресуемого силового элемента, отправленного в сообщении о характеристиках источника.
Для запросов к элементу питания постоянного или переменного типа, или аккумулятору поля «Рабочий ток/Мощность» и «Суммальный ток/Прог.
напряжение» интерпретируются одним образом, а для запросов к элементу программируемого типа – по-другому.
, так как в этом случае запрашивается и напряжение, и сила тока.
Структура объекта RDO: 
На мой взгляд, этой информации достаточно, чтобы иметь представление о том, как работает USB Power Delivery. Я сознательно не стал углубляться в дебри, связанные с таймерами, счетчиками и обработкой ошибок.
Совместимость с традиционным USB
Как уже говорилось выше, Power Delivery — это независимая подсистема, работающая параллельно и независимо от канонического USB. Однако в случаях, когда устройства реализуют оба протокола — USB и Power Delivery, спецификация рекомендует реализацию т.н.
Диспетчер системной политики, или SPM, компонент, который может управлять оборудованием USB PD посредством традиционных запросов USB. 
Для систем с поддержкой SPM спецификация рекомендует предоставлять информацию PD через специальные типы дескрипторов USB. Не думаю, что нужно о них подробно останавливаться, просто перечислю их названия:
- Дескриптор возможности подачи электроэнергии , является частью дескриптора BOS и сообщает, поддерживает ли устройство зарядку аккумулятора через USB, поддерживает ли оно стандарт USB PD, может ли оно выступать в качестве источника питания и может ли оно выступать в качестве приемника.
Кроме того, этот дескриптор содержит информацию о количестве портов источника, портов назначения и версии поддерживаемых спецификаций USB-зарядки и подачи питания.
- Дескриптор возможностей информации о батарее , требуется для всех устройств, в которых батарея указана как один из источников питания.
Содержит информацию о наименовании, серийном номере и производителе аккумулятора, его емкости, а также значениях порогового тока в заряженном и разряженном состоянии.
- Дескриптор возможностей потребительского порта PD , требуется для всех устройств, у которых заявлена поддержка хотя бы одного порта приемника.
Содержит информацию о поддержке стандартов подачи питания и зарядки аккумулятора, минимальном и максимальном напряжении, рабочей мощности, максимальной пиковой мощности и максимальном времени, в течение которого он может потреблять эту пиковую мощность.
- Дескриптор возможностей порта поставщика PD , требуется для всех устройств, у которых заявлена поддержка хотя бы одного порта питания.
Содержит информацию о поддержке стандартов Power Delivery и Battery Charging, а также список всех PDO-объектов, характеризующих доступные устройству элементы питания.
- Дескриптор требований к питанию PD , требуется для всех приемных устройств, поддерживающих USB PD. Каждое устройство должно возвращать хотя бы один такой дескриптор как часть своего дескриптора конфигурации.
Этот дескриптор должен идти сразу после первого дескриптора интерфейса.
В случае, если их несколько, он должен идти после каждого первого дескриптора функционального интерфейса, если используется IAD, или в случае составного устройства без IAD, сразу после каждого дескриптора интерфейса и перед конечной точкой дескрипторов.
.
Сводная таблица представлена ниже: 
Заключение
Я надеюсь, что этим постом я пробудил общественный интерес к USB Power Delivery. Смиренно отмечу, что автор имеет непосредственное отношение к данной спецификации, поэтому я готов ответить на любые вопросы о Power Delivery в частности и USB в целом.Искренне.
Теги: #Компьютерное оборудование #Энергия и аккумуляторы #железо #usb #usb-кабель #подача питания
-
Международная Финансовая Корпорация (Ifc)
19 Oct, 24 -
Smartos: Полностью Современная Ос
19 Oct, 24 -
Темные Узоры Амазонки
19 Oct, 24
