Wie entwerfe ich ein 2A oder mehr Netzteil für meine Consumer-USB-Geräte?

Ich verstehe, dass viele meiner über USB-Anschlüsse aufgeladenen Endgeräte mit höheren Raten als 0,5 A aufgeladen werden können. Beim Testen habe ich jedoch festgestellt, dass sie nicht mehr als dies verbrauchen.

Versuchsaufbau

• Ich habe ein Netzteil, das zwischen 0 und 30 Volt und 0 bis 20 Ampere ausgibt.
• Ich habe die Spannung auf 5 Volt eingestellt und dann eine USB-Buchse richtig an die Drähte angeschlossen.
• Wenn ich ein Samsung Galaxy S4 Mini anschließe, zieht es ungefähr 0,44 Ampere. Ähnlich verhält es sich mit einem Samsung Galaxy Tab Pro.
• Wenn ich jedoch ein iPad Air mit einem offiziellen Blitzkabel verbinde, zieht es nur etwa 0,11 Ampere.
• Außerdem habe ich versucht, eine ZGPAX S28-Smartwatch anzuschließen, und es waren immer noch etwa 0,44 bis 0,45 Ampere.

Das Netzteil kann mehr als maximal 2,1 Ampere ausgeben. Warum also nicht zumindest die Tablets?

Was muss ich in meinem Testaufbau tun, um die Geräte davon zu überzeugen, ihren maximalen Ladestrom zu verbrauchen?

Der Grund, warum Ihre Apple / Samsung-Geräte nicht mehr Strom verbrauchen, ist einfach. Dies liegt daran, dass zwischen dem Apple / Samsung-Gerät und den dafür vorgesehenen Netzteilen eine zusätzliche Datenkommunikation stattfindet. Dadurch erkennen sich beide Geräte und vereinbaren einen höheren zu verwendenden Strom. Das Ladegerät stellt bestimmte Spannungen an den USB-Datenleitungen ein, die vom Telefon oder Tablet erkannt werden.

Ihr 20-Ampere-Netzteil liefert diese Spannungen nicht in den Datumsleitungen, sodass es nicht mit Ihrem Apple / Samsung-Gerät "spricht". Daher wird davon ausgegangen, dass es sich um ein normales "dummes" Ladegerät handelt und nicht mehr Strom verbraucht, als nach USB-Standard zulässig ist Das ist normalerweise nur 100 oder 500 mA

Um ein Apple-Gerät aufzuladen, legen Sie diese Spannungen an die Datenleitungen:

gewünschter Strom: 2.000 mA D-: 2,0 V D +: 2,75 V.

Abhängig davon, wie voll der Akku ist, ist auch der Ladestrom begrenzt. Es wird nur maximal sein, wenn der Akku zu 30 - 70% aufgeladen ist (diese Zahlen sind nur meine Vermutung). Das Laden mit einem hohen Strom ist schlecht für den Akku, wenn er sehr schwach oder fast voll ist.

Quellen:

Adafruit: Die Geheimnisse des Ladens von Apple-Geräten

Voltaic: Auswahl der USB-Pin-Spannungen

Hier ist ein vollständigerer Artikel , der die bekannten proprietären D + / D- Identifikationsschemata für Widerstandsteiler für Hochleistungsladegeräte auflistet. Das Wesentliche ist:

2,0 V / 2,0 V - geringe Leistung (500 mA)

2,0 V / 2,7 V - Apple iPhone (1000 mA / 5 Watt)

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

2,7 V / 2,7 V - 12 Watt (2400 mA, möglicherweise von Blackberry verwendet)

D + / D- kurzgeschlossen - USB-IF BC 1.2 Standard

1,2 V / 1,2 V - Samsung-Geräte

Die Samsung-Werte stimmen mit den Angaben in diesem Schaltplan ^{[Originalquelle]} über einen 10k / 33k-Widerstandsteiler für 2A Galaxy-Tablet-Ladegeräte überein.

Wie ich in meinem anderen Kommentaren gesagt, gibt es auch off-the-shelf - Chips , die einige von ihnen, zum Beispiel implementieren MAX14667 , TPS2513 , Microchip USB2534 oder CYUSB3324 . Das Datenblatt des letzteren enthält auch einige weitere Details zu Samsung-Geräten:

Samsung-Geräte folgen mehreren Lademethoden. Einige Samsung-Geräte (Samsung Galaxy Tablets) verwenden eine proprietäre Lademethode, bei der die D + - und D-Pins auf das gleiche Potenzial (~ 1,2 V) vorgespannt sind. Die Geräte der Samsung Galaxy S-Serie (S3, S4) folgen dem Ladestandard USB-IF BC v1.2 für den DCP-, CDP- und SDP-Betriebsmodus.

Der USB-IF BC 1.2 hat folgende Anforderungen für den DCP-Modus:

• D + - und D– -Datenleitungen werden zusammen mit einer maximalen Serienimpedanz von 200 Ω kurzgeschlossen.

• Die Stromversorgung darf nicht unterbrochen werden, bis die Spannung unter 2 V fällt oder der Strom 1,5 A überschreitet

• Die absolut maximal zulässige, aber nicht erforderliche Stromaufnahme ist die Grenze des USB 2.0-Anschlusses von bis zu 5A

Außerdem heißt es in der Cypress-Notiz, dass die 2,7 V / 2,7 V -> 2,4 A [auch] von Apple verwendet werden. Die Diskussion in TI-Foren, in denen sich TI-Mitarbeiter (für ihren TPS2513A) angemeldet haben, zeigt dasselbe. Ein TI-Mitarbeiter sagte :

Ab iPad3 wird ein 42-Whr-Akku verwendet, und eine lange Ladezeit wird zum Problem. Vergleichen Sie die Ladezeit von 0% bis 100%. Das 2,1-A-Ladegerät benötigt 6 Stunden, das 2,4-A-Ladegerät 5 Stunden und 40 Minuten. Also 20 Minuten schneller, aber nicht viel.

Wir glauben, dass der Hauptgrund für das Apple Release 2.4A-Ladegerät eine bessere Benutzererfahrung beim gleichzeitigen Laden und Spielen ist. Wenn Sie hochwertige Videospiele wie Infinity II spielen und gleichzeitig aufladen, steigt der prozentuale Anstieg des Akkus meines iPad3 sehr langsam an, z. B. 30 Minuten später, nur um 2 Prozent, was mich verrückt macht.

Während der Verwendung eines 2,4-A-Ladegeräts steigt der Batteriestatus schneller an, zumindest fühle ich mich normal, okay.

Das Netzteil kann mehr als maximal 2,1 Ampere ausgeben. Warum also nicht zumindest die Tablets?

Der USB-Standard erlaubt nicht, dass mehr als 500 mA von einem Standard-USB 1-Anschluss gezogen werden. Bis das Gerät die Kommunikation mit dem USB-Hostgerät herstellt, kann es nicht feststellen, wie viel Strom verfügbar ist.

Der USB-Standard verlangt tatsächlich, dass Geräte nicht mehr als 100 mA ziehen, bevor sie mit dem Host kommunizieren und mehr Strom anfordern. Dies ist wichtig, da ein standardmäßiger USB-Hub ohne Stromversorgung 500 mA - 100 mA für sich selbst und 100 mA für jeden seiner Ports verbraucht. Dies bedeutet, dass ein Hub ohne Stromversorgung nicht versuchen kann und sollte, ein USB-Gerät mit 500 mA zu versorgen.

Der Standard wurde auf diese Weise entwickelt, um eine Vielzahl von Anwendungen zu unterstützen.

Offensichtlich folgt nur Apple dem Standard und verbraucht nur 100 mA, bevor mehr Strom angefordert wird.

Die Realität ist, dass nur wenige USB-Anschlüsse nicht in der Lage sind, 500 mA ohne Aufforderung zu liefern. Viele kümmern sich nicht einmal darum, den Stromverbrauch zu überwachen und nicht konforme USB-Geräte auszuschalten. Es ist fast immer sicher, 500 mA von einem USB-Anschluss zu beziehen, ohne den Host-Anschluss nach der maximalen Leistung zu fragen.

Die neueren USB-Spezifikationen ermöglichen höhere Stromanschlüsse. Dies muss jedoch erneut angefordert werden, um der Spezifikation zu entsprechen.

USB-Ladegeräte sind normalerweise nicht intelligent und implementieren keinen vollständigen USB-Host-Anschluss. Sie verwenden einige Abkürzungen - im Allgemeinen verwenden sie Widerstände auf den D + - und D- -Leitungen, um dem USB-Gerät zu signalisieren, dass das Ladegerät ohne offizielle Aufforderung mehr Leistung liefern kann.

Darüber hinaus überwachen einige Geräte, wie z. B. die Apple iOS-Linie, auch die bereitgestellte Spannung und reduzieren den Stromverbrauch basierend auf dem Spannungsabfall. Wenn ein Ladegerät beispielsweise meldet, dass es 2A liefern kann, die Spannung jedoch nicht bei 5 V bleibt, verbraucht das iOS-Gerät weniger als den maximalen Strom. Es wird weder unter 4,5 V noch über 5,5 V aufgeladen. Das Ladegerät muss also nicht nur die richtigen Signale anzeigen, um anzuzeigen, dass der volle Strom verfügbar ist, sondern auch eine gute Regelung bei maximaler Stromaufnahme aufrechterhalten.

Beachten Sie, dass dies ein Sicherheitsmerkmal ist. Das Ladegerät muss nicht nur in der Lage sein, den Strom zu liefern, sondern das verwendete USB-Kabel muss ihn auch tragen können. Es scheint nicht viel Strom zu sein, aber es gibt viele sehr billige dünne USB-Kabel auf dem Markt, die sich merklich erwärmen, wenn 2A durch ihre untergroßen Leiter fließen. Legen Sie das unter ein brennbares Kissen und lassen Sie die Wärme aufbauen, und Sie finden möglicherweise mehr als geschmolzene Isolierung.

Apple überprüft nicht nur das Ladegerät, sondern auch das Kabel (mithilfe der proprietären Chips im Kabelanschluss), um die Haftung für mögliche Verluste im Zusammenhang mit gefährlichen Ladegeräten und Kabeln zu vermeiden.

Solange Sie jedoch das mit dem Gerät gelieferte Kabel verwenden, sollten Sie mit diesem Aspekt kein Problem haben und sich auf die Signalisierung des Ladegeräts konzentrieren können.

Was muss ich in meinem Testaufbau tun, um die Geräte davon zu überzeugen, ihren maximalen Ladestrom zu verbrauchen?

Der Apple-Standard wurde von anderen lose übernommen oder wird von anderen akzeptiert und besteht darin, bestimmte Spannungspegel auf den D- und D + -Leitungen auf einen niedrigen Strom zu setzen. Wenn Sie ungefähr 2,0 V an die D-Leitung und 2,75 V an die D + -Leitung anschließen, wird signalisiert, dass 2A (10 W) zum Laden verfügbar sind. Dies kann mit einfachen Widerständen erfolgen:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Wenn Sie diese Schaltung in Ihrem Setup befolgen, sollten Sie feststellen, dass mindestens die Apple-Geräte mit 2 oder mehr Ampere aufgeladen werden und dass Ihre anderen Geräte möglicherweise ebenfalls mit dieser Rate aufgeladen werden.

Sie können versuchen, einen dedizierten Ladeanschluss-Controller zu verwenden .

Entsprechend der Spezifikation kann es die folgenden Ladeschemata erkennen:

1. Teiler 1 DCP, erforderlich, um 2 V und 2,7 V an die D + - bzw. D– -Leitungen anzulegen (TPS2513, TPS2514)
2. Teiler 2 DCP, erforderlich, um 2,7 V und 2 V an die D + - bzw. D– -Leitungen anzulegen (TPS2513, TPS2514)
3. Teiler 3 DCP, erforderlich, um 2,7 V und 2,7 V an die D + - bzw. D- -Leitungen anzulegen (TPS2513A, TPS2514A)
4. BC1.2 DCP, erforderlich, um die D + -Leitung mit der D– -Leitung kurzzuschließen
5. Kurzschlussmodus des chinesischen Telekommunikationsstandards YD / T 1591-2009, erforderlich, um die D + -Leitung mit der D– -Leitung kurzzuschließen
6. 1,2 V an D + und D– Leitungen

20 Ampere ist das, was die Versorgung liefern kann, und was auch immer Sie daran anschließen, nimmt das, was es von diesen 20 Ampere benötigt.

Wenn Sie beispielsweise die Versorgung für einen 5-Volt-Ausgang eingerichtet haben und einen 5-Ohm-Widerstand über den Ausgang legen, wird der Widerstand mit 1 Ampere versorgt, da dies alles ist, was der Widerstand mit 5 Volt über dem Ausgang wünscht.

Sie können auch 20 5-Ohm-Widerstände parallel an die Versorgung anschließen, die jeweils 1 Ampere für insgesamt 20 Ampere liefern.

Ein USB-Gerät zieht nur die Strommenge, von der es weiß, dass es definitiv ziehen kann, ohne das Ladegerät zu beschädigen. Die Geräte von Apple und Samsung haben keine Ahnung, wie viel sicher aus Ihrem Ladegerät entnommen werden kann, daher greifen sie auf den USB-Standard zurück. Laut USB-Standard ist "0,5 Ampere sicher". (Wenn sich das Ladegerät als USB-Ladegerät identifiziert, aber 0,5 Ampere nicht verarbeiten kann, liegt dies nicht am Telefon, sondern am Problem des Ladegeräts.)

Die einzige Möglichkeit, das Gerät davon zu überzeugen, mehr Strom zu ziehen, besteht darin, die Kommunikation im Ladegerät zu implementieren, die zwischen einem Apple-Gerät und einem Apple-Ladegerät oder einem Samsung-Gerät und einem Samsung-Ladegerät stattfinden würde. Es ist nicht sehr schwierig, und Sie können dafür gute Ladegeräte zu vernünftigen Preisen kaufen. Ihr Ladegerät macht das nicht, also ist 0,5 A die Grenze.

Alle USB-Geräte müssen sich verhalten, wenn sie an einen USB-Datenanschluss angeschlossen sind, der standardmäßig 100 mA liefert, 500 mA, wenn "nett gefragt" wird. Das bekommen Sie.

Wenn Sie die Data + - und Data- -Signale über einen kleinen Widerstand miteinander verbinden (zum Schutz etwa 100 Ohm), erfüllen Sie die USB-Batterieladespezifikation, mit der ein Gerät mindestens 1,5 A ziehen kann.