如何为我的消费类 USB 设备设计 2A 或更大的电源?

电器工程 电源 电池充电
2022-01-25 03:01:42

我了解我的许多通过 USB 端口充电的消费类设备的充电速率都高于 0.5A。但是,在测试中,我发现它们的消耗量不会超过这个。

测试设置

  • 我有一个输出 0 到 30 伏和 0 到 20 安培的电源。
  • 我将电压设置为 5 伏,然后将母 USB 正确连接到电线。
  • 当我插入三星 Galaxy S4 Mini 时,它的电流约为 0.44 安培。三星 Galaxy Tab Pro 也是如此。
  • 但是,当我用官方闪电电缆连接 iPad Air 时,它的电流仅为 0.11 安培左右。
  • 此外,我尝试连接 ZGPAX S28 智能手表,它仍然约为 0.44-0.45 安培。

电源能够输出最大 2.1 安培的电流,那为什么至少不给平板电脑呢?

在我的测试设置中我需要做什么来说服设备消耗它们的最大充电电流?

4个回答

您的 Apple/Samsung 设备不消耗更多电流的原因很简单。这是因为 Apple/Samsung 设备与其专用电源之间正在进行额外的数据通信。这使得两个设备能够相互识别并同意使用更高的电流。充电器在 USB 数据线上设置一定的电压,手机或平板电脑可以识别。

您的 20 安培电源不会在日期线上提供这些电压,因此它不会与您的 Apple/Samsung 设备“对话”,因此这些假设它是一个普通的“哑”充电器,并且不会消耗超过 USB 标准允许的电流通常只有 100 或 500 mA

要为苹果设备充电,请将这些电压放在数据线上:

所需电流:2,000mA D-:2.0V D+:2.75V

像这个电路一样,适用于 2A 的苹果设备。

此外,根据电池的充满程度,充电电流也会受到限制。仅当电池电量为 30 - 70% 时才会达到最大值(这些数字只是我的猜测)。当电池电量非常低或几乎充满时,用大电流充电对电池不利。

资料来源:

Adafruit:苹果设备充电的奥秘

Voltaic : 选择 USB 引脚电压

这是一篇更完整的文章,列出了用于大功率充电器的已知专有电阻分压器 D+/D- 识别方案。要点是:

2.0V/2.0V – 低功耗 (500mA)

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

2.7V/2.0V – Apple iPad (2100mA/10-watt)

2.7V/2.7V – 12 瓦(2400mA,黑莓可能使用)

D+/D- 短接在一起 – USB-IF BC 1.2 标准

1.2V/1.2V – 三星设备

通过 2A Galaxy 平板电脑充电器的 10k/33k 电阻分压器,三星值与此示意图 [原始来源]中所示的值一致。

就像我在其他评论中所说的那样,也有现成的芯片可以实现其中的一些,例如MAX14667TPS2513、 Microchip 的USB2534CYUSB3324后者的数据表还提供了有关三星设备的更多详细信息:

三星设备遵循多种充电方式。一些三星设备(三星 Galaxy 平板电脑)使用专有充电方法,其中 D+ 和 D- 引脚偏置到相同的电位 (~1.2 V)。三星 Galaxy S 系列(S3、S4)设备遵循适用于 DCP、CDP 和 SDP 操作模式的 USB-IF BC v1.2 充电标准。

USB-IF BC 1.2 对 DCP 模式有以下要求

  • D+ 和 D– 数据线短接在一起,最大串联阻抗为 200 Ω。

  • 电压降至2V以下或电流超过1.5A前不得切断电源

  • 允许但不要求的绝对最大电流消耗是 USB 2.0 连接器的限制,最高 5A

此外,赛普拉斯的注释说苹果 [也] 使用 2.7V/2.7V -> 2.4A。TI 员工参与的 TI 论坛(针对他们的 TPS2513A)的讨论表明了同样的情况。一位 TI 员工

从 iPad3 开始,使用 42Whr 电池,充电时间长开始成为问题。比较充电时间,从电池0%到100%,2.1A充电器需要6小时,2.4A充电器需要5小时40分钟。所以快了20分钟,但不多。

我们认为苹果发布 2.4A 充电器的关键原因是为了在充电和游戏的同时提供更好的用户体验。在玩Infinity II等高品质电子游戏的同时充电,我的iPad3的电池百分比增加非常缓慢,例如30分钟后,仅增加2%,这让我抓狂。

使用2.4A充电器的时候,电池状态提升更快,至少我感觉正常,还可以。

电源能够输出最大 2.1 安培的电流,那为什么至少不给平板电脑呢?

USB 标准不允许从标准 USB 1 端口汲取超过 500mA 的电流。在设备与 USB 主机设备建立通信之前,它无法知道有多少电流可用。

USB 标准实际上要求设备在与主机通信并请求更多功率之前消耗不超过 100mA。这一点很重要,因为标准的无电源 USB 集线器本身会消耗 500mA - 100mA 电流,每个端口消耗 100mA。这意味着未通电的集线器不能也不应该尝试为 USB 设备提供 500mA 电流。

该标准以这种方式设计以支持各种使用。

显然只有 Apple 遵循标准,并且在请求更多功率之前仅消耗 100mA。

现实情况是,很少有 USB 端口不经询问就无法提供 500mA 电流。许多人甚至懒得监控电流消耗并关闭不兼容的 USB 设备。从 USB 端口汲取 500mA 电流几乎总是安全的,而无需询问主机端口的最大功率。

较新的 USB 规格允许使用更高功率的端口。但是,必须再次要求这符合规范。

USB 充电器通常不是智能的,并且不实现完整的 USB 主机端口。他们使用一些捷径——通常在 D+ 和 D- 线上使用电阻器向 USB 设备发出信号,表明充电器无需官方请求即可提供更多功率。

此外,一些设备,例如 Apple iOS 系列,也会监控所提供的电压,并根据电压降缩减电流消耗。例如,如果充电器报告它可以提供 2A,但电压没有保持在 5V,则 iOS 设备将消耗小于最大电流。它不会在低于 4.5V 或高于 5.5V 时充电。因此,充电器不仅必须提供正确的信号来指示全电流可用,还必须在最大电流消耗下保持良好的调节。

请记住,这是一项安全功能。不仅充电设备需要能够提供电流,而且使用的 USB 数据线也需要能够承载它。它可能看起来电流不大,但市场上有许多非常便宜的细 USB 电缆,它们会在 2A 电流流过它们尺寸过小的导体时明显升温。把它放在一个易燃的枕头下,让热量积聚起来,你可能会发现不仅仅是融化的绝缘材料。

Apple 不仅验证充电器,还验证电缆(使用电缆连接器内的专有芯片),因此他们可以避免因危险的充电器和接线可能造成的损失而承担责任。

但是,只要您使用设备随附的电缆,您就应该对它的这方面没有问题,并且可以专注于充电器信号。

在我的测试设置中我需要做什么来说服设备消耗它们的最大充电电流?

Apple 标准已被其他人松散地采用或被其他人接受,包括在 D- 和 D+ 线上以低电流放置特定的电压电平。在 D- 线上放置大约 2.0V,在 D+ 线上放置 2.75V 将表示 2A (10W) 可用于充电。这可以通过简单的电阻器来完成:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

如果您在设置中遵循此电路,您应该会发现至少 Apple 设备以 2 安培或更多安培充电,您可能会发现您的其他设备也以该速率充电。

您可以尝试使用专用的充电口控制器

根据规范,它可以检测以下充电方案:

  1. 分压器 1 DCP,需要分别在 D+ 和 D– 线路上施加 2 V 和 2.7 V(TPS2513、TPS2514)
  2. 分压器 2 DCP,需要分别在 D+ 和 D– 线路上施加 2.7 V 和 2 V(TPS2513、TPS2514)
  3. 分压器 3 DCP,需要分别在 D+ 和 D- 线上施加 2.7 V 和 2.7 V(TPS2513A、TPS2514A)
  4. BC1.2 DCP,需要将 D+ 线短接到 D– 线
  5. 中国电信标准 YD/T 1591-2009 短接模式,要求将 D+ 线短接至 D- 线
  6. D+ 和 D– 线均为 1.2 V