Usb dcp что это

Обновлено: 02.07.2024

Мобильность современных электронных устройств — удовольствие, оплаченное необходимостью периодически заряжать их аккумуляторы. Обычно это делается с помощью специальных зарядных устройств. Но существует альтернатива — использовать USB-порты персонального компьютера. Их эксплуатация в режиме зарядного устройства определена спецификацией Battery Charging.

Стала ли спецификация Battery Charging «нормой жизни» в мире мобильных устройств или остается всего лишь инновационным пожеланием? Давайте прикоснемся к этому вопросу, подключив планшет к порту универсальной последовательной шины. Наблюдение зарядных процессов станет критерием истины в исследовании готовности персональных платформ быть «станциями переливания тока».

К истории вопроса

Идею универсализации зарядных устройств для мобильных телефонов предложила компания Motorola. Именно ей принадлежит заслуга использовать USB-шину для нужд портативной техники. Благо дело, спецификация USB 2.0 была готова к этому, допуская потребление от порта токов до 500 мА.

Новый индустриальный стандарт для универсальной последовательной шины не только улучшил ее пропускную способность, но и поднял планку потребления тока. Версия USB 3.0 увеличила это значение до 900 mA.

Параллельно развивалась и улучшалась портативная техника: мобильные телефоны стали смартфонами, укомплектованными емкими аккумуляторами. На стыке между смартфонами и ноутбуками появились планшеты — новый класс устройств, требующих автономного питания. Для них стала очевидной необходимость обеспечить рабочие токи от 1.5 A и более.

Попыткой использовать универсализм USB-шины во всех смыслах и стало появление спецификации Battery Charging, регламентирующей процессы потребления токов свыше 900 мА для нужд периферийных устройств.

Примечание.
Подключение нагрузки к любому источнику питания неизбежно приводит к уменьшению или «проседанию» выходного напряжения. USB-порт не исключение. Спецификация USB устанавливает диапазон питающих напряжений от 4.40 до 5.25 Вольт, в котором шина сохраняет свою работоспособность. Забегая вперед, отметим, что для устойчивой зарядки аккумуляторов, требования к порту более жесткие: необходимо обеспечить напряжение не ниже 4.75V в рабочем диапазоне потребляемых токов.

Что такое Battery Charging Specification

Главными предметами стандартизации в документе Battery Charging Specification являются:

1) электрические характеристики цепей питания, а именно, способность USB-порта выдавать повышенные токи и удерживать стабильное напряжение во всем их диапазоне.

Примечание.
График, приведенный ниже, устанавливает лимиты на «проседание» напряжения питания под воздействием тока нагрузки. Допустимый участок отмечен темным цветом. Как видим, спецификация Battery Charging более требовательна к цепям питания, чем спецификация USB.

2) протокол, согласно которому заряжаемое устройство распознает поддержку спецификации Battery Charging портом USB.

Идея в том, что устройство подает напряжение Vdat_ref на линию USB2 Data+, а хост в качестве ответной реакции выдает напряжение Vdm_src на линию USB2 Data–. По этой ответной реакции, заряжаемое устройство распознает возможности хоста и получает право на потребление токов, превышающих лимиты, установленные спецификацией USB.

Комментарий.
Подключаясь к USB-порту, заряжаемый девайс использует ламели, предназначенные для информационного обмена по USB 2.0. Как следует из выше сказанного, о своих намерениях он сообщает по линии Data+, а подтверждение от хоста ожидает по линии Data–. Ламели USB 3.0 для схем питания внешних устройств не используются.

Типы портов

Документ Battery Charging Specification устанавливает три основных вида портов.

1) SDP (Standard Downstream Port) — обычный USB-порт со стандартной нагрузочной способностью в пределах 500/900 мА.

2) CDP (Charging Downstream Port) — USB-порт с повышенной нагрузочной способностью до 1.5 A. Параллельно с зарядкой, CDP способен обеспечить обмен по интерфейсам USB 2.0/3.0.

3) DCP (Dedicated Charging Port) — это зарядное устройство без использования информационных сигналов USB-порта. В зависимости от реализации может обеспечивать ток от 1.5 A до 5 A. Заметим, что протокол распознавания такого порта максимально упрощен: в разъеме порта DCP линии USB2 Data+ и USB2 Data– должны быть закорочены.

Комментарий.
Напрашивается другой смысл аббревиатуры DCP: Dummy Charging Port, — тупо заряжаем периферию и все!

Начинаем эксперименты

В нашей тестовой лаборатории оказался планшет ASUS Vivo Tab TF600T, укомплектованный штатным зарядным устройством. Для исследования режима зарядки от USB-порта мы использовали USB 3.0 адаптер производства ST Lab на основе xHCI-контроллера Renesas uPD720202.

Опыт первый. Работа со штатным зарядным устройством

С помощью омметра мы обнаружили, что два центральных контакта USB-разъема на зарядном устройстве замкнуты между собой. Это означает, что зарядное устройство поддерживает спецификацию Battery Charging и классифицируется как DCP (Dedicated Charging Port) .

Включив амперметр в разрыв цепи питания Vbus, мы измерили ток, потребляемый планшетом при зарядке. Он равен 900 mA при напряжении +5 В.

Включив специально изготовленный переходник между планшетом и зарядным устройством, мы разорвали цепь, соединяющую линии USB2 Data+ и USB2 Data–. Это должно приводить к невозможности распознавания планшетом режима DCP. Но изменений в потреблении тока мы не обнаружили: планшет не поддерживает протокол распознавания типа порта, описанный в спецификации Battery Charging.

Выключив планшет, мы проверили омметром сопротивление линий USB2 Data+ и USB2 Data– относительно земли на самом высокоомном пределе. Результат — бесконечность. А это значит, что указанные цепи разомкнуты и, следовательно, не содержат каких-либо схем, обеспечивающих распознавание BC-протоколов.

Попытка зарядки планшета в сочетании с док-станцией через наш переходник закончилась неудачно — режим зарядки не работает. Соединение линий USB2 Data+ и USB2 Data– не улучшило ситуацию. Что и не удивительно: в док-станцию встроен дополнительный аккумулятор, — а совместная зарядка нескольких батарей приводит к повышенному потреблению тока. Предположительно, в таком режиме возникает падение напряжения на разъеме и соединительных проводниках. Это означает, что требования к нагрузочной способности и стабильности цепи питания +5V должны быть значительно выше, чем оговорено спецификацией USB.

Опыт 2. Пытаемся заряжаться от USB порта

Как следует из документации, контроллер Renesas uPD720202 поддерживает спецификацию Battery Charging, что позволяет заряжаемому устройству распознать возможности заряжающего устройства или хоста. В предположении, что ток, потребляемый планшетом, будет зависеть от программно установленного BC-режима, была написана небольшая утилита BCTool.EXE. С ее помощью можно управлять регистрами Renesas uPD720202, ответственными за установку режимов, предусмотренных спецификацией BC.

Но при попытке зарядить планшет от USB-порта нас ожидало разочарование: устройство упорно не переходило в режим зарядки. Иногда можно было наблюдать пульсации потребляемого тока, которые, впрочем, не выводили планшет на режим зарядки от USB. Результаты ряда экспериментов со специально изготовленными переходниками говорят в пользу того, что причиной стала банальная недостаточность нагрузочной способности порта. «Проседание» напряжения на линии Vbus, которое не является проблемой для работы обычных USB-устройств, препятствовало включению режима зарядки.

Как следует из результатов первого опыта, планшет не поддерживает распознавание продвинутых возможностей, о которых рапортуют USB-порты контроллера Renesas uPD720202. Это означает, что нашим ожиданиям увидеть изменение потребляемого тока при программной установке BC-режимов Renesas xHCI не суждено было сбыться даже в том случае, если бы отсутствовала проблема с нагрузочной способностью порта.

Опыт 3. Исследуем BC протокол

В ситуации, когда детальное исследование возможностей USB-порта по поддержке спецификации Battery Charging невозможно из-за отсутствия соответствующей периферии, единственной возможностью остается макетирование. Напомним, взаимодействие хоста и подключенного заряжаемого мобильного устройства состоит в том, что мобильное устройство подает напряжение Vdat_ref на линию USB2 Data+, а хост в качестве ответной реакции выдает напряжение Vdm_src на USB2 Data–. По этой ответной реакции заряжаемое устройство распознает BC-возможности хоста.

Для моделирования процесса был собран резисторный делитель, подающий напряжение около 0.5V на линию USB2 Data+ контроллера Renesas uPD720202. Напряжение на линии USB2 Data– контролировалось посредством вольтметра. Если поддержка BC выключена, на линии USB2 Data– напряжение около нуля, так как линии данных USB заземлены через Pull-down резисторы. С помощью утилиты BCTool.EXE, написанной в нашей тестовой лаборатории, переключаем режим работы порта и наблюдаем результат на вольтметре. При выборе режима CDP на линии USB2 Data– зафиксировано возрастание напряжения до 0.6V, как и должно быть в соответствии со спецификацией BC.

Такой результат, а также наличие дополнительного разъема питания THP-4MR на плате адаптера, свидетельствуют о том, что производитель устройства находится на пути к полноценной поддержке спецификации BC. Осталось обеспечить требования спецификации по мощности цепи +5V, удерживая заданное напряжение при заданном токе в соответствии с графиком, приведенным в начале статьи.

Выводы

Чтобы «светлое будущее», описанное в документе Battery Charging Specification, стало реальностью, разработчикам мобильных устройств и USB-адаптеров потребуется приложить немало усилий. Хотелось бы верить, что производство оригинальных зарядных устройств не станет на пути к внедрению данной спецификации.

При подключении к USB-порту портативное устройство (PD) не имеет права потреблять по питанию более 100 мА. Этого достаточно для проведения процедуры опознавания (digital negotiation), в которой PD определяет возможности порта по питанию (для стандартных портов USB 2.0 – 500 мА, USB 3.0 – 900 мА). Длительность процедуры – до двух секунд. После опознавания допускается ток потребления не превышающий номинал данного порта. В случае превышения тока потребления порт снижает напряжение или его совсем отключает (встроенная защита порта от перегрузки).

Battery Charging v1.2 Spec (BC1.2, 2010)

В настоящее время действует редакция спецификации на зарядку батарей от USB от 2010г — «Battery Charging v1.2 Spec and Adopters Agreement» и современные устройства вроде как должны ей соответствовать. Она определяет типы портов с разной функциональностью и разными возможностями по мощности (току) питания подключаемых устройств.

SDP (Standard Downstream Ports) – обмен данными и зарядка, допускает ток до 0,5A.
CDP (Charging Downstream Ports) – обмен данными и зарядка, допускает ток до 1,5A; аппаратное опознавание типа порта (enumeration) производится до подключения гаджетом линий данных (D- и D+) к своему USB-приемопередатчику.
DCP (Dedicated Charging Ports) – только зарядка, допускает ток до 1,5 A ( ÷5 A ).
ACA (Accessory Charger Adapter) – декларируется работа PD-OTG в режиме Host (с подключением к PD периферии – USB-Hub, мышка, клавиатура, HDD и с возможностью дополнительного питания), для некоторых устройств – с возможностью зарядки PD во время OTG-сессии.

Каждый PD имеет схему (компаратор), с помощью которой он определяет наличие на линии питания VBUS напряжения, превышающее его внутреннее (0.8÷4V) и момент его появления (подключения к ЗУ). После подключения по VBUS PD либо пытается убедиться, что подключены шины данных, либо тупо ждет 300÷900 мсек в расчете, что подключение разъема завершится, после чего приступает к опознаванию типа порта ЗУ (primary detection).

Данная процедура, производимая портативным оборудованием (PD) при его подключении, позволяет ему определить тип порта, к которому оно оказалось подключено, и позволить себе потреблять максимально возможный от данного порта ток.

На первом этапе (primary detection) PD выдает +0.6±0.1V на линию D+ и «оттягивает» линию D− к GND током

100мка. В этом состоянии PD проверяет напряжение UD− (на линии D−). Если напряжение UD−<+0.32±0.07 V, то порт опознается как SDP, если +0.32±0.07 V <UD−<+0.8 V — как CDP или DCP. Но если напряжение UD− окажется больше чем 0.8V, PD будет считать, что он к порту не подключен и позволит себе потреблять по питанию не более 2.5 mA (ISUSP).

На втором этапе (secondary detection) PD выбирает между CDP и DCP: выдает +0.6±0.1V на линию D− и «оттягивает» линию D+ к GND током

100мка. В этом состоянии PD проверяет напряжение UD+ (на линии D+). Если напряжение UD+<+0.32±0.07 V, то порт опознается как CDP. Если +0.32±0.07 V <UD+<+0.8 V – как DCP

DCP Divider Mode Selection

◀ при D+=D−=2.0 V устройству разрешено потреблять до 500 мА;
◀ при D+=2.0 V и D−=2.7 V — до 1 A (схема «Divider1 DCP»);
◀ при D+=2.7 V и D−=2.0 V — до 2 A (схема «Divider2 DCP»).

◀ Используются индивидуальные для линий D+ и D− резистивные делители от выходного напряжения +5V (VBUS):
для U=2.7 V — делитель +5V←43kΩ/51kΩ→GND (2,713 V);
для U=2.0 V — делитель +5V←75kΩ/51kΩ0→GND (2,024 V).

DCP Short Mode, Chinese standard YD/T 1591-2009, ITU-T L.1000 (06/2011)

◀ Для разрешения потреблять от зарядного устройства (ЗУ, Charger) ток более 500 mA необходимо чтобы внутри ЗУ линии D− и D+ были соединены между собой и изолированы от других цепей. (Схема «DCP Short Mode»).

Декларированный (Rated) выходной ток такого ЗУ должен быть от 500 mA до 1500 mA, максимальный ток (в том числе и ток короткого замыкания) не должен превышать декларированный более чем на 50% (по спецификации) и не должен превышать 1500 mA (по ограничению на ток разъема USB).

Выходное напряжение должно быть в пределах 4.75÷5.25 V при нормальной нагрузке.

Korean tablet charging mode («Samsung»)

Dedicated Charging Port (DCP)

В такие схемы могут конфигурироваться специализированные контроллеры адаптеров (например, TPS2511 от Texas Instruments).

DCPShortMode номинируется на ток до 1,5A (допускает ток до 1,8 A); определяется PD с опознаванием по Short Mode (YD/T 1591, ITU-T L.1000) и по BC1.2.
DCPApplying1.2VtotheD+andD−Lines– используется «в некоторых планшетах» (смысл и параметры – непонятны:
- Возможно Korean tablet charging mode.
- Возможно может быть понято устройством с опознаванием по Divider Mode или по BC1.2 определится как SDP и будет позволен ток до 0,5A).
Похожие схемы реализуются и на индивидуальных для линий D+ и D− резистивных делителях от выходного напряжения +5V (VBUS).

◀ Например, штатные зарядные устройства iPod и iPhone («Apple») обозначают допустимые значения тока методом, похожим на DCP Divide Mode Selection, но потенциалы линий D− и D+ несколько отличаются:
— при D+=D−=2 V устройству разрешено потреблять до 500 мА;
— при D+=2.0 V и D−=2.8 V – до 1 A (5 W, divider modes Apple 1A);
— при D+=2.8 V и D−=2.0 V– до 2 A (10 W, divider modes Apple 2A).

◀ При этом напряжения формируются делителями:
— для U=2.0 V – 51kΩ/33kΩ (1,964v); 75kΩ/51kΩ (2,024v)
— для U=2.8 V –33kΩ/43kΩ (2,827v); 39kΩ/51kΩ (2,833v)

А Maxim Integrated предлагает в своих контроллерах адаптеров следующие варианты схем идентификации ▼

Что и кому позволяет «Sony Charger» (3.3V) – непонятно, возможно, GPS-навигатор HP iPAQ 31x (3.0V).

До появления первого стандарта («Battery Charging Spec v1.0 and Adopters Agreement», 2007 г.) производители мощных PD были вынуждены пойти на разные хитрости для обеспечения их совместимости как со штатным мощным зарядным устройством, так и со стандартным портом компьютеров, который не обеспечивают полномерного питания устройства. Наверное этим и объясняется многообразие типов кодировки допустимого тока в портативных устройствах различных производителей и их штатных ЗУ.

«Первая ласточка» на рынке

Появилось первое АЗУ, для которого продавцом (производителем??) приведены данные по кодировке типов портов – SaixiangGL005-KK/GL005-KK F (2xUSB до 4.8A, вход 12V-24V) Saixiang usb car chargers .

5.2V/4.2A;
Size: 35×25×100mm;
Порты [DCP Divider1]&[DCP Divider2]
Варианты GL005-KK и GL005-KKF отличаются нагрузочными характеристиками портов. Судя по описанию продавца: GL005-KK имеет ограничение суммарного тока двух портов (current of 4.2 Amps, double USB sharing), GL005-KKF ограничивает токи портов индивидуально (по 2A на каждом).
Подробнее — в статье «АЗУ Saixiang с поканальным ограничением тока».

Интеллектуальные системы «быстрой зарядки»

На путь борьбы против неунифицированности системы определения гаджетами типа зарядного порта выступили фирмы-производители зарядных устройств. В 2014г компания Anker выпустила серию зарядных устройств (СЗУ и АЗУ) разной мощности, основанных на PowerIQ-технологии опознавания свойств гаджета и оптимальной для него кодировки зарядного порта.

В 2015г компания Tronsmart выпустила на рынок 40-ваттное СЗУ (Smart USB Charger) с использованием VoltIQ-технологии опознавания.

Обе компании хвалятся обеспечением оптимизации зарядки любых гаджетов, в произвольной комбинации и в любом количестве. «Технология опознавания разумно идентифицирует подключенное устройство и индивидуально подставляет кодировку, в которой он нуждается для полной скорости зарядки».

Но по их декларациям определить подойдет ли данное ЗУ именно твоему гаджету — невозможно. Полной информации о принципе действия и алгоритме не публикуется.

По официальному заявлению ЗУ Anker «динамически определяют и адаптируются к уникальному зарядному протоколу вашего устройства, позволяя ему заряжаться на полной скорости». Изделия от Anker появились раньше, и сейчас уже можно встретить замечания и отзывы пользователей. Например, встретилось кулуарно-скромные заявления Anker «… некоторые GPS и Bluetooth устройства не поддерживаются», «Ipod Nano, Ipod Классические, HP TouchPad, Dell Venue Pro 11 и Asus таблетки не поддерживаются».

Есть и интересно-полезные отзывы:
- И таки да, работает перебором — перебирает все известные стандарты USB ЗУ, запоминая ток; где ток максимальный — на том и останавливается.
- «4 из 5 портов перестали работать» – ответ Anker: Попробуйте отключить кабель питания и все кабели USB от зарядного устройства оставьте его 15 минут. Это должно сбросить текущие ограниченные переключатели и вы будете хорошо идти.
Толковых отзывов пользователей на Tronsmart пока (май 2015) не встречается. На пользовательском уровне есть обзоры 40W СЗУ Tronsmart, «Smart USB Charger» и попытка сравнения одинаковых по мощности (40W) СЗУ Anker и Tronsmart.

С использованием интегральных микросхем детектора заряда разъем USB становится универсальным компонентом для портативных устройств. Соблюдение спецификации BC1.2 (BC1.2 – Battery Charging Revision 1.2 – спецификация зарядного устройства аккумуляторной батареи вариант 1.2) обеспечивает ясность и простоту реализации технологии. Обилие возможностей интегральных схем детектора заряда делает их чрезвычайно привлекательными при разработке портативной электроники. Компания Maxim Integrated предлагает многофункциональные детекторы зарядного устройства MAX14576/MAX14636/MAX14637 и MAX14656.

Что, кроме обильных порций кофе, помогает уменьшить время выхода продукции на рынок, снизить стоимость, сконцентрироваться на циклах разработки инноваций? Подсказка: стандартизация. Стандарты, определяющие протоколы и эксплуатационные характеристики, повлияли на все аспекты технологии: размеры корпуса устройства, расположение выводов, информационные и коммуникационные интерфейсы, драйвера программного обеспечения, разъемы, способ распространения программного продукта, соблюдение экологических норм, испытательные приспособления. Этот список можно продолжать без конца. Чем подробнее описание, тем лучше оснащены разработчики для определения продуктов, которые следует вывести на рынок. Если есть какие-либо сомнения по поводу необходимости строго оговоренных стандартов, отправляйтесь в два любых магазина одежды и купите рубашки с одним и тем же размером.

Лучшие стандарты растут вместе с технологией. Стандарты пересматриваются, и затем в них отражается усложнение промышленности, в то время как необходимо поддерживать уже укоренившуюся практику. USB порт – прекрасный пример универсального стандарта. Первоначально предполагалось стандартизировать разъемы на ведущем компьютере, затем была расширена спецификация USB с разрешением горячей замены электроники (стандарт USB-OTG – “On the Go”) как для ведущего, так и для периферийного устройства. Спецификация снова эволюционировала с введением «Спецификации зарядки аккумуляторной батареи с помощью USB» [USB Battery Charging Specification, 1], отразившим невероятный бум мобильных телефонов и других портативных устройств с портом USB. В настоящее время стандарт USB проходит очередной виток эволюции с новой спецификацией USB 3.1 с инновационным симметричным разъемом типа С. Из-за способности идти в ногу со временем [2], порт USB в настоящее время можно найти повсеместно, где используются заряжаемые устройства.

Поддержка такого устойчивого стандарта, как USB, может влиять даже на политику правительства. В июне 2009 Европейская Комиссия опубликовала памятку, предполагающую разрешить использование универсального зарядного устройства для каждого мобильного телефона, который имеет разъем микро-USB и опирается в значительной степени на ВС1.2. [3] В ответ крупнейшими производителями мобильной электроники, такими как Apple, LG, Samsung и Sony Ericsson, а также многими другими [4] был подписан меморандум о взаимопонимании (MoU – memorandum of understanding). Ассоциация GSM (GSMA), которая организует мировой мобильный конгресс (Mobile World Congress) и охватывает более 220 стран, также анонсировала намерение стандартизировать зарядное устройство мобильных телефонов с USB-разъемом [5]. Корейская ассоциация телекоммуникационных технологий (Korean Telecommunications Technology Association) и китайское министерство промышленности и информационных технологий (Chinese Ministry of Industry and Information Technology) выпустили технические требования к стандартизации зарядного устройства мобильного телефона [6]. Даже международный телекоммуникационный союз (International Telecommunication Union), специализированное учреждение в рамках Организации Объединенных Наций, опубликовал ITU-T L.1000 – рекомендации к адаптации универсального зарядного устройства на основе предложений GSMA, Евросоюза и Китая [7]. Обновление USB 2.0, в которое добавлены положения о передачи энергии, введение стандарта USB 3.1 в 2013 году и нового стандартного разъема Type-C в 2014 году будут продолжать оказывать сильное влияние на стандарты USB.

Детектор зарядного устройства и порты в BC1.2

Почему комитеты по стандартам и правительство выбрало для унификации USB разъем и протоколы, изложенные в BC1.2? Создание общего стандарта позволит добиться совместимости, оптимальной производительности, безопасности любых устройств, использующих USB. Спецификация оговаривает, сколько мощности может передать любой порт, а также указывает рациональный путь определения количества переданной энергии для портативных устройств. Таким образом, разработчик любого портативного оборудования может обеспечить совместимость с как можно большим числом USB. Производители будут знать, как наилучшим образом применять USB, и могут предвидеть значения напряжений и токов, прилагаемых к USB. Учитывая эти данные, можно осуществлять проектирование без риска электрических перегрузок. Наконец, возрастающее значение тока заряда, используемого устройством, значительно сокращает требуемое для процесса заряда время. Следовательно, детектор зарядного устройства – важная особенность, которая должна быть заложена во всех заряжаемых устройствах, использующих порт USB.

Прежде чем обсуждать протокол обнаружения устройств, важно знать различия среди существующих спецификаций USB. Наиболее распространенная спецификация USB 2.0 поддерживает ток заряда не более 500 мА. ВС1.2 оговаривает три различных типа портов: стандартный порт для обмена (SDP – standard downstream port), выделенный порт для заряда (DCP – dedicated charging port) и порт для обмена и заряда (CDP – charging downstream port).

SDP – классический USB-порт. В дополнение к коммуникации USB обеспечивает ток 100 мА для периферийных подключенных устройств, причем ток может быть увеличен до 500 мА. Большинство портов, как правило, не имеют этого предела тока, и большие токи не гарантируются. DCP не поддерживает обмен данными, но обеспечивает зарядный ток 500 мА без распознавания порта. CDP поддерживает обмен данными USB и высокий ток заряда; присутствует внутренняя схема, которая переключается на этапе определения заряжаемого устройства. Некоторые производители электроники разработали свои собственные схемы идентификации зарядного устройства в дополнение к типам USB-портов, указанных в спецификации. Вариации этих схем добавляют еще один слой технологии обнаружения зарядного устройства, который нельзя упускать из вида.

Процесс определения зарядного устройства

Процесс определения зарядного устройства, согласно спецификации BC1.2, состоит из пяти базовых этапов:

Рис. 1. Контакты разъема USB и обнаружение
данных соединения

Для выполнения DCD периферийное устройство должно подключить источник тока величиной от 7 до 13 мкА (опорное напряжение 3,3 В) к D+ и проконтролировать напряжение. Этот диапазон тока выбран таким образом, чтобы поддерживать необходимый уровень напряжения для всех логических элементов при допустимом отклонении величин сопротивлений, оговоренных в спецификации. Если D+ не подключен, напряжение будет иметь высокий логический уровень. Если подключен, то на D+ будет считываться низкий логический уровень, несмотря на тип порта. Если соединение с контактами данных не терялось после односекундного таймаута, конечное устройство предполагает, что DCD состоялось.

Логическая схема процедуры определения типа зарядного устройства приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Обобщенная процедура определения зарядного устройства в соответствии со спецификацией BC1.2

Зарядные устройства, не совместимые с ВС1.2, отличаются у разных производителей. Многие из зарядных устройств собственной разработки идентифицируют себя для конечного устройства посредством уровня напряжения, получаемого резистивным делителем между шиной VBUS и землей. В зависимости от уровня отклонения, требуемого схемой обнаружения зарядного устройства, может быть добавлен контур чувствительности для обнаружения уровней напряжений на D + и D-, и таким образом становится возможным идентифицировать различные зарядные спецификации производителя.

Технология определения зарядного устройства

Интегральная схема обнаружения USB-зарядного устройства – это микросхема, которая реализует многие функции и тонкости, связанные с определением зарядного устройства в соответствии со спецификацией ВС1.2. Также возможно реализовать схему определения на дискретных элементах. Однако количество компонентов, место на печатной плате и время, потраченное на создание дискретной системы, резко возрастает.

Добавление специальной микросхемы для определения устройства заряда требует дополнительного места на печатной плате, поэтому производители часто сочетают другие необходимые или желательные функции в одном корпусе. Следовательно, микросхема определения зарядного устройства высокой степени интеграции обладает множеством дополнительных функций, таких как встроенные ключи для работы USB или UART/аудио, последовательные интерфейсы управления, защита от перенапряжения (OVP – overvoltage protection), поддержка USB OTG, возможность заряда Li+ батарей или даже способность нумерации USB.

Разработчики, подбирающие детектор зарядного устройства, который можно установить в уже существующий продукт с минимальным количеством дополнительных компонентов и местом на печатной плате, должны заинтересоваться семейством микросхем MAX14576/MAX14636/MAX14637. Этот класс детекторов зарядных устройств питается непосредственно от шины USB VBUS , так что нет необходимости организовывать дополнительный источник питания. Детекторы оснащены внутренними переключателями SPST, которые открываются, когда выполняется определение зарядного устройства, и закрываются, когда включена передача данных через USB. Каждое устройство имеет порты ввода/вывода с открытым коллектором для сигнализации статуса разрешения зарядки или передачи данных. Некоторые версии детектора зарядного устройства имеют совместимый с Apple® порт детектора зарядки в дополнение к спецификации BC1.2. На рисунке 3 показан пример схемы обнаружения, которая обрабатывает протокол детектирования. Для такой схемы требуется меньше ресурсов основного процессора, и нет необходимости в серьезных изменениях в существующем проекте.

Рис. 3. Схема включения детектора зарядки MAX14636

За последние несколько лет произошел лавинообразный рост на рынке смартфонов. Список их функционала продолжает увеличиваться, а габариты – уменьшаться. Тщательное планирование и использование высокоинтегрированных решений необходимы для сокращения спецификации. Так, например, мобильный телефон использует один разъем для зарядного устройства; подключения к персональному компьютеру; подключения внешних аксессуаров; воспроизведения аудио. Для осуществления всех этих задач в компактном исполнении системные разработчики могут применить микросхему определения заряда MAX14656 (рисунок 4).

Рис. 4. Применение детектора заряда MAX14656 в смартфонах

Эта универсальная схема детектора зарядного устройства автоматически определяет разницу между BC1.2-совместимыми портами и поддерживает определение Apple-совместимых зарядных устройств (то есть 500 мА, 1 А, 2,1 А). Эти устройства имеют интегрированные DPDT-переключатели, которые позволяют использовать шины D+ и D- для совместного использования высокоскоростным USB-приемопередатчиком, аудиовыходом и даже внутренним UART. Используя I2C-интерфейс, встроенный процессор читает, подключено ли зарядное устройство, и переконфигурирует внутренние ключи для соответствующего режима. Например, рассмотрим одиночный детектор зарядного устройства со встроенным OVP на шине VBUS, с защитой от электростатических разрядов на линии передачи данных и посадочным местом 1,65х1,65 мм. Данная микросхема добавит одиночному разъему гибкости применения в системах с ограниченными габаритами.

Перспективы для устройств портативной электроники

Технология определения зарядного устройства достаточно универсальна, так как основные функции детектора зарядного устройства могут быть использованы совместно с другими функциями для достижения высокой степени интеграции при разработке портативной электронной техники. Другие решения сочетают в одном корпусе детектор зарядного устройства с контроллером заряда Li+ аккумуляторных батарей. Некоторые комбинируют детектор зарядного усторойства и самонумерацию USB. Сегодня новые микросхемы детекторов зарядного устройства автоматически осуществляют мониторинг циклов заряда батареи в соответствии с BC1.2, вместо дополнительной загрузки встроенного процессора с ручной юстировкой суммарного тока, протекающего за определенный в спецификации временной интервал.

Когда объединяются функции детектора зарядного устройства и заряда, получается интеллектуальное ключевое управление аккумуляторной батареей. Эта технология позволяет автоматически переключаться между аккумуляторной батареей и зарядным устройством, когда происходит процесс заряда. Следовательно, некоторые микросхемы детекторов зарядного устройства могут обеспечить как зарядку батареи, так и полный ток нагрузки. Устройства, которые поддерживают эти функции, снабжены также терморегулированием тока для защиты от опасных высоких температур, возникающих в результате одновременного заряда аккумулятора и обеспечения тока нагрузки. Благодаря интеграции детектора и зарядного устройства, системный разработчик может уделить больше внимания конечному применению продукта и меньше беспокоиться по поводу вопросов, связанных с процессом заряда.

Тем временем спецификация USB BC1.2 продолжает стимулировать электронную промышленность, обеспечивая стандарт, который производители могут брать за основу. Большое количество BC1.2-совместимых зарядных устройств уже доступны, и со временем объемы будут только увеличиваться. Уже один этот факт делает применение разъема USB в портативном устройстве привлекательным вариантом. При использовании микросхемы обнаружения зарядного устройства разъем USB на портативном устройстве становится универсальным компонентом. Соблюдение спецификации BC1.2 поддерживает ясность и простоту в реализации технологии. При разработке компактного и портативного изделия применение микросхемы детектора зарядного устройства позволяет увеличить степень интеграции за счет обширного списка сопутствующих функций.

Содержание BC1.1 превышает выделение мощности, указанное на USB 2.0, что определяет больше источников питания для зарядки. Существует три различных типа источников питания:

Стандартный ниже по течению (SDP)

Это то же самое, что и порт, определяемый спецификацией USB 2.0, а также является типичным портом, общим для настольных компьютеров и ноутбуков. Когда зависает, максимальный ток нагрузки составляет 2,5 мА; соединение и не подвесное состояние составляют 100 мА, а ток может быть настроен на 500 мА (максимум). Оборудование может использоваться аппаратным идентификацией SDP, строки данных USB D + и D- заземлены на 15 кОм, но все равно нужно перечислить для удовлетворения характеристик USB. Хотя много аппаратного обеспечения теперь потребляют мощность, в спецификации USB 2.0, это не законно от строгого смысла, и он нарушает требования к спецификации.

Standard Downstream Port (SDP) — USB 2.0 and USB 3.0
An SDP is a traditional USB port that follows USB 2.0 and USB 3.0 protocol. An SDP supplies a minimum of 500 and 900-mA per port. USB 2.0 and USB 3.0 communications is supported, and the host controller must be active to allow charging.

Зарядка порта нисходящей линии связи (CDP)

BC1.1 Указывает новый USB-порт этого большого тока на ПК, ноутбук и другое оборудование. Теперь CDP может обеспечить до 1,5А тока, поскольку ток может быть предоставлен перед перечислением, так что отличается от USB 2.0. Устройство, вставленное в CDP, можно использовать для идентификации CDP путем манипулирования и мониторингом D +, D-Lines, тем самым используя аппаратные рукопожатия (см. Раздел 3.2.3 Спецификации зарядки USB). Аппаратный тест проводится до преобразования кабеля данных в USB-передачу, которая может обнаружить CDP (и начать зарядку) перед перечислением.

Charging Downstream Port (CDP)
A CDP is a USB port that follows USB BC1.2 and supplies a minimum of 1.5 A per port. A CDP provides power and meets the USB-2.0 requirements for device enumeration. USB-2.0 communication is supported, and the host controller must be active to allow charging. The difference between CDP and SDP is the host-charge handshaking logic that identifies this port as a CDP. A CDP is identifiable by a compliant BC1.2 client device and allows for additional current draw by the client device.
The CDP hand-shaking process occurs in two steps. During step one the portable equipment outputs a nominal 0.6-V output on the D+ line and reads the voltage input on the D– line. The portable device detects the connection to an SDP if the voltage is less than the nominal data detect voltage of 0.3 V. The portable device
detects the connection to a CDP if the D– voltage is greater than the nominal data detect voltage of 0.3 V and optionally less than 0.8 V.

The second step is necessary for portable equipment to determine if the equipment is connected to a CDP or a DCP. The portable device outputs a nominal 0.6-V output on the D– line and reads the voltage input on the D+ line. The portable device concludes the equipment is connected to a CDP if the data line being read remains less than the nominal data detect voltage of 0.3 V. The portable device concludes it is connected to a DCP if the data line being read is greater than the nominal data detect voltage of 0.3 V.

Специальный зарядный порт (DCP)

BC1.1 Указывает источники питания, которые не перечисляются, такие как адаптеры на стену и автомобильные адаптеры, без цифровой связи, вы можете начать зарядку. DCP обеспечивает до 1,5А тока, идентифицирует с помощью короткого замыкания D + и D-, которые могут создавать DCP «Power Adapter», используя USB Mini или миниатюрный домкрат, а не фиксированную монтажную линию саморевенного разъема. Такие адаптеры могут быть заряжены любым USB-кабелем (оснащены правильной вилкой).

Dedicated Charging Port (DCP)
A DCP only provides power but does not support data connection to an upstream port. As shown in following sections, a DCP is identified by the electrical characteristics of its data lines.

A method of performing enumeration (connection recognition) by performing a handshake using USB data lines (D + and D-).

It recognizes whether it is CDP or not in two steps.

 Output 0.6 V to the D + line and measure the voltage of the D - line
When the voltage of the D - line is less than 0.3 V, it is judged that it is connected to SDP；
When the voltage of the D - line is 0.3 V or more and less than 0.8 V, it is judged that it is connected to CDP or DCP
 Output 0.6 V to the D - line and measure the voltage of the D + line
When the voltage of the D + line is less than 0.3 V, it is judged that it is connected to the CDP；
When the voltage of the D + line is 0.3 V or more and less than 0.8 V, it is determined that it is connected to DCP；

В комментах к записи про новый USB-зарядник мы с камрадом coff развели бурную дискуссию по поводу выходных токов и правильных кабелей для зарядки.
Желая поглубже изучить вопрос, полез в инет и наткнулся на интереснейший сайт, где весь вопрос разложен по полочкам. Позволю себе процитировать некоторые фрагменты (если автор этих строк будет против, я непременно удалю всю информацию).
Итак, какие типы зарядных устройств бывают вообще.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРТОВ ЗУ (CHARGER'ОВ)
SDP (Standard Downstream Ports) – обмен данными и зарядка, допускает ток до 0,5 A.
CDP (Charging Downstream Ports) – обмен данными и зарядка, допускает ток до 1,5 A; аппаратное опознавание типа порта (enumeration) производится до подключения гаджетом линий данных (D- и D+) к своему USB-приемопередатчику.
DCP (Dedicated Charging Ports) – только зарядка, допускает ток до 1,5 A (÷5 A).
ACA (Accessory Charger Adapter) – декларируется работа PD-OTG в режиме Host (с подключением к PD периферии – USB-Hub, мышка, клавиатура, HDD и с возможностью дополнительного питания), для некоторых устройств – с возможностью зарядки PD во время OTG-сессии.
Из всех типов для автомобильного зарядника интересен только выделенный, т.е. DCP: обмен данными отсутствует, распыляться на OTG, опять же, нет нужды. А вновь установленный преобразователь вполне способен выдать ток по спецификации.
Идём дальше и изучаем тему DCP. Оказалось, что DCP имеет ещё и виды. Первый вид "с делителями" имеет два подвида:

и вид "китайский КЗ (короткозамкнутый)":

Именно про этот вид зарядки и толковал Дима coff. Вооружившись этим знанием, приступил к испытаниям своего зарядника. Первым делом, сделал переходник USB A-А папа-мама с КЗ из отдельноваляющихся разъёмов, т.е. закороченными средними контактами. Сразу разбирать кабель незачем, потом его только выбрасывать :) После того, как замерил напряжение и ток на выходе зарядника с подключенным мобильником почесал тыковку, и забросил этот измеритель в дальний ящик — им только напряжение можно померить, т.к. комбинацию контактов разъёма он выдает свою, а не ту, что в заряднике. Перебрал все наличные кабеля, попробовал замерять ток заряда через каждый из них с различными источниками: сетевая зарядка, PowerBank, USB-порт компа. Оказывается, кабеля пропускают разные токи! Выбрал с наилучшими показателями и продолжил эксперимент.

Разбирая плату мелкого зарядника в прошлый раз, я заметил кучку SMD-резисторов. Значения им особо не придал, и, к счастью, не отпаял сгоряча. Теперь же решил ещё раз залезть в корпус бывшего зарядника. Зачем?
По большому счёту, рынок зарядников достаточно дикий, также, как и рынок мобильников. Поэтому, чтобы иметь настолько же универсальное устройство, постараемся выделить и реализовать наиболее распространённые и мощные источники. Т.к. на корпусе розеток написано 2,1А и 1А остаётся им соответствовать и собрать схемы для определения мобилами зарядников этого номинала :).

Это на одном из разъемов, который выходил на надпись 2,1А. На другом разъёме, с надписью 1А, собрана схема с делителями "подвид 1А".

Что ж, китайцы здесь остались верны себе. Выход с 1,5А током пометили как 2,1А. С другой стороны, а вдруг бы и выдал? Но узнать уже никак не получится…
Продолжаем. Итак, "китайский КЗ"-порт должен нам выдать 1А, его мы оставляем как есть. А чтобы другой порт выдал 2А придется перепаять делитель к "подвиду 2А": поменять местами резисторы 43кОм и 75кОм.

А чтобы надписи соответствовали выходным параметрам, переворачиваем плату вверх ногами :) Правда, светодиод тоже меняет местоположение, но не беда. Сверлим новое отверстие под него и затыкаем дырочку каплей термоклея.

Натурные испытания проводил со специально обученным переходником: простой переходник USB А-А папа-мама с разорванной дорожкой +5В. В разрыв впаяны проводочки, к которым подключался амперметр. Нагрузкой служил китайский смарт, которым и фоткал.

Из портика с надписью 1А выходит 840 мА, столько, сколько принимает смарт. Кабель, повторюсь, не искалеченный, а самый обычный, правда, хороший.

Предсказуемый результат для порта 2,1А. Посколько смарт не поддерживает спецификацию "DCP с делителями", то и получает в питание только 460 мА. Если использовать переходник со средними КЗ контактами, то ток будет снова 800 мА — сколько забирает смарт. Для выдачи всех 2А необходим потребитель с такой же спецификацией запроса :)
В итоге, зарядник выполнен универсальным, способным заряжать широкий спектр потребителей как обычными, так и "родными" кабелями и обеспечивать им оптимальные режимы зарядки.
Промерял способность преобразователя выдавать максимальный ток на простую нагрузку (резистор 5 Ом, 0,5 Вт) . Измерять не успевал — нагрузка отпаивалась (расчётный ток 1А, мощность 5Вт). Более мощной нагрузки пока не нашёл, поэтому проверки прекратил.
Вообще, рекомендую почитать дополнительные ссылки на приведённой страничке, очень интересно и познавательно.

Читайте также: