Что нового предлагает нам стандарт USB Power Delivery 3.0

Новая версия спецификаций USB PD задает дополнительные требования к режимам тестирования опций управления питанием.

С момента своего появления в 1996 г. протокол Universal Serial Bus (USB) многократно пересматривался – его история насчитывает уже три поколения стандартов, и в конце этого года должен выйти стандарт USB 4.0. При этом организация USB Implementer’s Forum (USB-IF), в компетенции которой входит пересмотр стандартов USB, параллельно занимается развитием и внедрением технологий USB-интерфейсов и технологии подачи питания через USB-шину USB Power Delivery (USB PD).

Интерфейс USB Type-C появился в 2014 г. и подарил нам миниатюрный изящный разъем с симметричными коннекторами, исключающими подключение кабеля «не той стороной». Кроме того, порт USB Type-C обеспечивает более высокую скорость передачи данных и более высокие значения напряжения/тока для зарядки устройств. Вместе со стандартом USB 3.1 вышел и соответствующий стандарт USB PD 2.0. В настоящий момент спецификациям USB 3.2 соответствуют спецификации PD 3.0. Давайте посмотрим, какие основные изменения отличают текущую версию PD 3.0 от PD 2.0, и какие тесты входят в программы и методики испытаний устройств на соответствие стандарту PD.

Спецификации USB PD регламентируют передачу энергии через шину USB, в том числе для быстрой зарядки подключенных к порту USB устройств. Они обеспечивают согласование источника и приемника энергии, при котором определяется количество энергии, поступающее от источника к приемнику. Настраиваемый диапазон напряжений зарядки Power Delivery – от 5 до 20 В. Используя стандартный кабель USB-C, можно получить до 60 Вт, а кабель USB Type-C с полным оснащением (в соответствии со стандартом ECMA) позволяет довести мощность до 100 Вт.

Еще один интересный аспект Power Delivery – энергия по зарядному кабелю может передаваться в обоих направлениях: например, если вы соединили кабелем USB-C два смартфона с поддержкой Power Delivery, то как первый смартфон может заряжаться от второго, так и второй от первого.

Протокол PPS (Programmable Power Supply) требует, чтобы принимающее устройство с поддержкой PPS при согласовании напряжения зарядки с источником могло последовательно запрашивать выходное напряжение источника с шагом 20 мВ (начиная с меньших значений). Кроме того, приемник может аналогично запрашивать у источника максимальный выходной ток с шагом 50 мА. Как минимум каждые 10 секунд приемник должен обращаться к источнику с контрольным запросом по напряжению/ току зарядки. В зависимости от нагрузки, источник работает в режиме постоянного напряжения или в режиме ограничения по току; режим ограничения по току используется только в том случае, когда приемник пытается получить ток, превышающий согласованное значение.

Сравнение версий Power Delivery 3.0 и 2.0

Между спецификациями PD по версии 2.0 и по последней версии 3.0 есть ряд существенных отличий.

Профили подачи питания Power Delivery Profiles (PDP). Начиная со спецификаций PD 1.0, характер энергообеспечения по USB определяли профили USB PD Power Profiles.

Пример от USB-IF. Слева – зарядное устройство с гарантированной мощностью зарядки (Assured-Capacity Charger) общей мощностью 60 Вт с сертификатом USB Charger 30 Вт. Справа – зарядное устройство с распределенной мощностью зарядки (Shared-Capacity Charger) общей мощностью 60 Вт с сертификатом USB Charger 27 Вт.

Профили PDP – это модернизированные профили Power Profiles, которые теперь показывают пользователю энергию зарядки, выраженную в ваттах (Вт); большее значение соответствует большей мощности. PDP – это наибольшее номинальное напряжение, умноженное на номинальный ток; номинальные значения напряжения и тока указаны в Power Delivery Objects (PDO).

Мировой стандарт USB-зарядки. Уже несколько лет USB-IF ведет работу по унификации и стандартизации всего, что связано с зарядкой устройств через USB. Международная электротехническая комиссия (International Electro-Technical Commission, IEC) уже давно приняла стандарт USB, а позднее – и стандарты USB Type-C и PD.

Многопортовые зарядные устройства USB PD. Стандарт PD 3.0 распространил профили PDP на многопортовые зарядные устройства. Стандарт выделяет две категории зарядных портов – с гарантированной мощностью зарядки (Assured-Capacity Ports) и с распределенной мощностью зарядки (Shared-Capacity Ports). В первом случае каждый порт обеспечивает свою номинальную мощность зарядки независимо от загруженности остальных портов. Во втором случае каждый порт способен обеспечить свою номинальную мощность зарядки в зависимости от оставшейся доступной мощности, распределяемой между несколькими портами. На зарядном устройстве указывается суммарная доступная мощность и максимальная мощность, которую может обеспечить любой из портов зарядного устройства. Например, если один порт такого устройства может обеспечивать зарядную мощность 30 Вт, то весь набор портов может претендовать на PDP 30 Вт.

Таблица тестов на соответствие стандарту USB Type-C, разработанная в USB-IF, включает в себя большое количество тестов, обязательных для продукции, сертифицируемой по этому стандарту. По существу, всё, кроме кабелей, должно тестироваться на соответствие функционалу USB Type-C по полной программе. Если устройство “поддерживает PD”, оно также должно пройти весь набор тестов на соответствие стандарту PD. Кроме того, предусмотрен ряд тестов на способность устройства взаимодействовать с другими устройствами (USB-C IOP), а также специальный набор тестов для устройств, используемых в качестве источников питания.

Испытательный стенд Voyager M310P подходит для тестирования устройств как по программе для стандарта PD 2.0, так и по программе для стандарта PD 3.0. Он оснащен аутентичными портами USB Type-C и позволяет тестировать как зарядные, так и принимающие устройства.

Протокол PPS. Еще одним результатом усилий USB-IF по созданию международного стандарта использования интерфейса USB Type-C стала концепция PPS, которая выделяет два типа энергообеспечения по USB: питание работающих устройств, подключенных к стационарному источнику, и зарядка батарей устройств для последующей автономной работы. В части питания от стационарного источника спецификации PPS соответствуют версии PD 2.0; модернизация PPS в PD 3.0 направлена на повышение эффективности зарядки батарей.

Для питания работающих устройств ключевое значение имеют характеристики стационарного источника напряжения, стабильный ток и способность шины USB работать с динамической нагрузкой. При зарядке батарей источник должен обеспечивать переменные напряжение и ток, а также учитывать скорость зарядки и температурную нагрузку. Большинство производителей батарей рекомендуют начинать с постоянного тока и постепенно возрастающего напряжения с последующим переходом на постоянное напряжение и постепенно убывающий ток.

Зарядное устройство с заданными параметрами PDO объявляет максимальные значения своих выходных параметров, из которых принимающее устройство выбирает наиболее подходящие. Зарядные устройства, работающие от стационарной электросети, обычно не в состоянии обеспечить быструю зарядку без существенного нагрева. Однако методология PPS подразумевает, что принимающее устройство может само осуществлять “микроуправление” режимом зарядки, периодически запрашивая источник о повышении напряжения с маленьким шагом. В результате зарядка осуществляется быстрее, причем с контролируемым нагревом, что способствует увеличению срока службы батарей. Как только источник доходит до определенного значения напряжения, приемник получает встречный запрос на переход в режим постоянного напряжения.

В PD 3.0 введены новые термины, касающиеся PPS. К зарядному устройству PD можно подключать самые разнообразные устройства, но стандарт PD нацелен на универсальность. Поэтому PPS-подход требует, чтобы принимающие устройства были более «умными», и рассчитывает на то, что принимающее устройство знает, сколько энергии ему нужно. В результате появился новый термин – APDO (Augmented PDO, PDO с приращением) – для обозначения зарядных устройств, предлагающих диапазон напряжений. И максимальное значение тока тоже должно быть определено. Принимающие устройства с поддержкой PPS теперь будут использовать так называемые RDO (Request Data Objects) для согласования параметров зарядки в реальном времени.

По словам USB-IF, к новым фишкам PD 3.0 для док-станций относится USB-хаб с функцией Fast Role Swap (FRS), которая позволяет источнику и приемнику питающего напряжения меняться ролями.

Технология Fast Role Swap (FRS). Эта новая фишка стандарта PD 3.0 разработана специально для USB-хабов и док-станций. Обычно пользователь подключает док-станцию к стенной розетке; таким образом, док-станция является источником питания для ноутбука или любого другого подключенного к ней устройства с поддержкой питания через USB-шину. Если внешнее напряжение пропадает, например, при случайном отключении док-станции от розетки, пользователь рискует потерять все несохраненные данные на USB-устройстве, подключенном в этот момент к док-станции.

На исчезновение напряжения сети переменного тока FRS-хаб отвечает быстрым переключением в режим “смены ролей”. Док-станция реагирует на потерю питающего напряжения, заземляя напряжение V_CC в течение 60-120 мкс, что является сигналом для перехода в режим FRS. Док-станция имеет в своем составе удерживающие конденсаторы, которые способны поддерживать напряжение шины V_bus на уровне 5 В в течение как минимум 150 мкс после того, как V_bus фактически ушло в область значений ниже 5 В. Таким образом, после отключения внешнего напряжения док-станция некоторое время продолжает оставаться источником выходного напряжения V_bus, и за это время происходит переключение в режим Fast Role Swap.

После отключения питающего напряжения принимающее устройство, подключенное к док-станции, должно отслеживать V_CC. Если V_CC снижается в течение 30-60 мкс, оно формирует запрос на переход в режим Fast Role Swap, в котором принимающее устройство становится источником подаваемого на шину напряжения 5 В. Самое главное здесь – то, что функцию FRS поддерживают только порты DRP (Dual-Role Power), которые могут переключаться из режима подачи питания в режим приема и обратно.

Расширенный формат сообщений (Extended Messages). Стандарт PD 3.0 предлагает больший объем пакетов данных для передачи полезной информационной нагрузки – до 260 байт. Изначально размер пакетов был увеличен для обеспечения возможности передачи обновлений прошивки по каналу PD, но потом область их применения была расширена и теперь включает в себя передачу идентификационных данных, информации о батарее и др.