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May 19, 2024

Todo sobre USB

USB-C elimina los cargadores de enchufe de barril patentados que hemos estado usando para computadoras portátiles y muchos otros dispositivos. Lucha contra los estándares patentados de cargadores de teléfonos haciéndolos explícitamente no conformes,

USB-C elimina los cargadores de enchufe de barril patentados que hemos estado usando para computadoras portátiles y muchos otros dispositivos. Lucha contra los estándares patentados de cargadores de teléfonos al hacerlos explícitamente incumplidores, intimidando a las empresas para que hagan que sus dispositivos funcionen con cargadores ampliamente disponibles. Como aficionado, ya no necesita pasar 3 A a través de pequeños conectores MicroUSB y cables poco especificados para alimentar un Pi 4 que consume mucha corriente. Hoy en día, todo lo que necesita es una toma USB-C con dos resistencias, o un chip algo especial en caso de que las resistencias no te llevan a donde quieres estar.

Obtienes mucho más por tu inversión con USB-C. Esto también se aplica al poder; después de todo, no todos los dispositivos subsistirán con 15 W; algunos querrán más. Si 15 W no son suficientes para tu dispositivo, veamos cómo podemos llevarte más allá.

Las fuentes de alimentación USB-C siempre admiten 5 V y algunas están limitadas a eso, pero la compatibilidad con voltajes más altos es donde está. Los pasos de voltaje habituales del USB-C son 5 V, 9 V, 15 V y 20 V; La compatibilidad con 12 V es opcional y es más una convención. Estos pasos se conocen como SPR, y EPR agrega pasos de 28 V, 36 V y 48 V a la mezcla, hasta 240 W; Requiere cables nuevos, pero es totalmente compatible con versiones anteriores y posteriores y es totalmente seguro de usar gracias a las comprobaciones de cables y dispositivos que USB-C le permite realizar.

Un cargador debe admitir todos los pasos por debajo de su paso más alto, lo que significa que los cargadores con capacidad de 20 V también deben admitir 5 V, 9 V y 15 V; en la práctica, la mayoría de ellos lo hacen, y solo algunos pueden omitirlo. un paso o dos. También puede obtener voltajes intermedios, incluso hasta 3,3 V, utilizando un estándar PD llamado PPS (o el estándar AVS para cargadores de la gama EPR); no es un requisito, pero encontrará que bastantes USB- Las PSU C estarán obligadas y la compatibilidad con PPS suele estar escrita en la etiqueta.

Sin embargo, no puede superar los 5 V solo con resistencias; necesitará comunicaciones digitales a través de la línea CC, utilizando un protocolo llamado USB PD (Power Delivery), que permite que un dispositivo y una fuente de alimentación negocien los requisitos de energía de una manera funcional. Es un protocolo bidireccional de velocidad de baudios constante, hay verificaciones CRC, requisitos de tiempo de respuesta y se usa básicamente para todo USB-C, incluso negociaciones de protocolos de alta velocidad. Lo más importante es que USB-C PD es inmensamente poderoso.

Hay una cantidad asombrosa de comunicación posible a través de USB-C, lo que nos permite construir dispositivos más inteligentes que nunca. Está cuidadosamente diseñado: las comunicaciones son compatibles con versiones anteriores y anteriores, con nuevos cargadores EPR de 140 W que cargan alegremente dispositivos antiguos de 60 W a velocidades de 60 W, y cargadores de 60 W que aún se pueden utilizar para una carga más lenta de dispositivos que requieren 140 W. Las capacidades de USB PD también van mucho más allá de "dame este voltaje limitado por esta corriente": los dispositivos pueden consultar las preferencias de función de energía de cada uno, los estados de carga, intercambiar funciones de energía sobre la marcha, determinar de qué es capaz un cable y hacer todo eso teniendo en cuenta la seguridad.

Si aún no aprecias la complejidad, déjame guiarte a través de un escenario complejo que se simplifica con USB-C. Imagine una base USB-C con un puerto USB3, un puerto HDMI y un puerto de entrada de cargador USB-C. Si conecta una base de este tipo a su computadora portátil sin enchufar un cargador, la computadora portátil alimentará esta base con 5 V, con un límite de 1,5 A o 3 A, según la computadora portátil. Eso por sí solo es bastante útil cuando necesitas HDMI o un puerto USB3 adicional mientras viajas, y algunas de estas bases también tienen Ethernet, lo cual es difícil dejar pasar. En definitiva, la base actúa como un sumidero de energía y la computadora portátil actúa como una fuente de energía. Sin embargo, la disposición se pone patas arriba cuando se conecta un cargador con capacidad de alto voltaje al puerto de entrada del cargador de esta base.

El IC dentro de la base detectará el cargador y actuará como intermediario, hablando PD con la computadora portátil y el cargador, determinando los requisitos y capacidades de energía de cada uno. Digamos que la computadora portátil está interesada en los 20 V, 3 A que puede proporcionar el cargador. El IC intermediario le indicará a la computadora portátil que deje de suministrar 5 V y se prepare para cargar con un voltaje más alto, y una vez que la computadora portátil esté de acuerdo, le indicará al cargador que aumente el voltaje. En un segundo, el sistema cambió por completo: en lugar de funcionar con 5 V desde la computadora portátil, la base ahora pasa 20 V del cargador a la computadora portátil a través de sí misma y obtiene energía para sus propias necesidades de los mismos 20 V.

Este cambio de función de energía está diseñado para completarse en un breve período de tiempo: sus dispositivos USB3 y HDMI no experimentarán caídas de tensión y las comunicaciones de alta velocidad no se interrumpirán mientras se produce el cambio de función de energía. Los 20 V tampoco llegan a los pines de solo 5 V; la base tiene regulación de energía y puerta en el interior para evitarlo. La base también funcionará si su computadora portátil o teléfono no admite salida de video a través de USB-C, en cuyo caso, todo menos el puerto HDMI funcionará según lo previsto, y si la computadora portátil no admite la carga a través de USB-C, entonces Las negociaciones de cobro fracasarán de forma segura.

El IC de la base conoce el presupuesto de energía para sus propios puertos USB3 y HDMI, y lo resta del presupuesto de energía del cargador antes de presentarlo a la computadora portátil, y la computadora portátil sabe exactamente cuánta corriente puede consumir y puede cumplir con eso. para alimentar todo, mantener el cargador contento y no sobrecargarlo. Si el equipo utilizado cumple con los estándares USB-C, el usuario no tiene que tomar ninguna precaución: todo es seguro.

Lo mejor de todo es que puedes comprar un muelle como este por sólo $10 en línea. Todas estas características no son una casualidad ni un truco: USB-C está diseñado para hacer todo esto y mucho más. Como usuario, ya no necesita comprar una computadora portátil de clase empresarial para obtener una base de un solo cable con todas las funciones: muchas computadoras portátiles y teléfonos de consumo con datos USB-C y capacidades de carga pueden manejar todo lo mencionado anteriormente sin sudar.

Si le gusta conocer los avances tecnológicos de los consumidores y los piratas informáticos, encontrará que el USB-C se encuentra firmemente dentro del territorio de la tecnología futurista a medida que lo conozca. Usted también merece saber cómo funciona todo esto: repasemos los conceptos básicos de las comunicaciones eléctricas con PD.

Digamos que conecta un cargador a una computadora portátil. El cargador proporciona un pull-up en la línea CC, la computadora portátil lo detectará y, si su computadora portátil tiene capacidad de carga USB-C, colocará un pull-down en la línea CC. Luego, el cargador proporcionará 5 V y estará listo para hablar PD por cualquier valor superior a eso. Como puede ver, antes de que sean posibles voltajes más altos, primero debe optar por el camino de las comunicaciones analógicas y de 5 V. Coloque sus resistencias de 5,1 kΩ en los pines CC, obtenga 5 V y hable con la fuente de alimentación para que le proporcione un voltaje más alto desde allí.

de hecho, la combinación de la resistencia pull-up y pulldown debe estar presente constantemente para que el cargador siga suministrando corriente, incluso a voltajes muy superiores a 5 V. El voltaje de línea CC se utiliza para que la fuente de alimentación pueda determinar rápidamente cuándo se ha desenchufado un dispositivo y viceversa; esto ayuda con características de seguridad como reducir la formación de arcos de contacto en voltajes más altos al desconectar el cable y asegurarse de que el cargador salga de sus modos de voltaje más alto para que no Destruya el siguiente dispositivo conectado, lo que solía ser un modo de falla para algunos de los primeros cargadores USB-C.

Como resultado, la señalización digital se superpone a la tensión de línea CC. Se podría decir que PD es un protocolo medio digital. Este requisito de PD, además de demandas como aplicar VCONN a un pin actualmente no utilizado para verificar cables de alta velocidad o > 3 A, dificultan simplemente conectar los pines CC a un periférico UART o similar. Sin embargo, hay microcontroladores con periféricos PD, tanto de diseño occidental como oriental, y hay chips parlantes PD que puedes conectar a través de I2C si tu microcontrolador carece de uno.

La capacidad de hablar PD es fundamental para hacer que el USB-C sea accesible para los piratas informáticos. Sin embargo, no es necesario que conozca la jerga de PD si todo lo que necesita es alto voltaje desde un puerto USB-C.

Puedes comprar un IC amigable para que hable PD por ti. Es posible que haya oído hablar de las “placas disparadoras de PD”: una placa pequeña con un conector USB-C, dos pines para salida de voltaje, algunos puentes de soldadura si tiene suerte y un IC con suficiente vocabulario de PD para convencer a una fuente de alimentación. debería darnos 20 V o 9 V. Hemos visto a piratas informáticos usar placas de activación PD y chips para convertir computadoras portátiles viejas y dispositivos de mayor potencia para obtener energía de fuentes de alimentación USB-C, en situaciones en las que el fabricante no lo hizo en absoluto. pretender que eso suceda.

Hay varios circuitos integrados de activación. Hemos visto a piratas informáticos utilizar con éxito IP2721 y, recientemente, explorar circuitos integrados como el CH224K. Sin embargo, la mayoría de nosotros simplemente compramos una PCB pequeña con todo soldado y no nos preocupamos por los circuitos integrados específicos; Dicho esto, querrás tener algunas sugerencias cada vez que te propongas diseñar un dispositivo con un puerto USB-C que requiera alto voltaje, con eventos sorpresa de agotamiento y todo eso.

Los tableros de disparo PD no son perfectos para todo. Digamos que desea alimentar una carga resistiva de 8 Ω a través de USB-C; usemos un soldador con capacidad PD como ejemplo. La punta necesita 2,5 A a 20 V y 1,9 A a 15 V. Un cargador de 60 W puede proporcionar 3 A a 20 V y alimentará felizmente su carga, por lo que puede configurar de forma segura su placa de activación a 20 V con un puente de soldadura. Pero entonces, un cargador de 45 W solo puede ofrecer 2,25 A en 20 V, y una carga de 8 ohmios lo pondrá en modo de protección contra sobrecorriente; debe usar 15 V aunque el modo de 20 V esté disponible. Los circuitos integrados de placa de disparo no están diseñados con una lógica como esta en mente; por lo tanto, existen proyectos como PD Buddy Sink, que combinan un chip parlante PD con una MCU que puede manejar una lógica más compleja.

De hecho, los tableros de activación no tienden a brindarle información sobre el límite de corriente; si existe riesgo de sobrecorriente porque el cargador no puede proporcionar 3 A al voltaje que solicita la placa de activación, solo tendrá que asegurarse de que el cargador que está utilizando implementos de protección contra sobrecorriente; Estos son obligatorios por USB-C y la mayoría los realiza, dicho esto, tampoco querrás que tu dispositivo se encienda cada pocos segundos. Además, si desea un puerto de doble función que funcione con adaptadores OTG o que tal vez pueda funcionar con carriles de alta velocidad, un IC de activación no podrá ayudarlo y no puede simplemente conectar varios IC PD que soliciten diferentes funciones en paralelo a sus pines CC. Podemos intentar superar estas limitaciones en artículos posteriores; por ahora, sepa que las placas de activación tienen un lugar bien definido en su arsenal USB-C y lo ayudarán con sus proyectos USB-C en lo que respecta a voltajes más altos.

¿Qué sucede si tiene una fuente de alimentación con conector cilíndrico de 20 V que le gustaría convertir en un cargador USB-C? Después de todo, los voltajes coinciden. Las cosas no son tan simples: no puedes simplemente insertar 20 V en un puerto USB-C y esperar que tu computadora portátil se cargue. De hecho, su computadora portátil podría morir si hace eso; no está garantizado que no se libere humo mágico; Algunas computadoras portátiles tienen protección contra eso, pero he sido testigo de que esta disposición causa emisiones de humo mágicas, y preferiría que eso no te suceda a ti también. Quieres hacerlo correctamente, y para eso, primero debes escuchar la canción de negociación PD y bailar, limitando el voltaje suministrado a 5 V mientras lo haces.

Hay adaptadores en línea que parecen hacer al menos las partes de 5 V y PD por usted, sin los pasos intermedios, pero bueno, puede omitirlos de manera segura si sabe que lo que necesita su dispositivo es 20 V. También debe asegurarse de que sus 20 V estén dentro de un rango razonable; A veces, el adaptador lo comprobará por usted y, a veces, al dispositivo no le importará. También hay bastantes diseños de PSU USB-C con entrada de CC, que tendrán conversión activa integrada, por lo que sus PSU de 12 V, 19 V y 24 V se pueden aprovechar con material USB-C.

Hay advertencias sobre la alimentación USB-C. Uno de ellos es conectar dos puertos de doble función, por ejemplo, una computadora portátil y un banco de energía. Ambos pueden proporcionar energía o usar energía para cargar, y con USB-C, usan el mismo puerto para ambas funciones. Como resultado, si desea cargar su elegante computadora portátil desde su elegante banco de energía, es posible que se sorprenda al descubrir que su computadora portátil carga su banco de energía, y lo mismo podría suceder si conecta su teléfono a su computadora portátil. No es frecuente que esto suceda y parece que algunos fabricantes de powerbanks logran evitar tal acuerdo; sin embargo, es posible que a otros productos no les vaya tan bien.

Existen disposiciones para el intercambio de información sobre el nivel de la batería en USB-C, pero supongo que no todos las utilizan ni implementan. Algunos dispositivos que exponen los controles de la capa USB-C a los usuarios le mostrarán un menú donde puede verificar; en parte, los teléfonos modernos y los Chromebook lo hacen. Los powerbanks con sus controles de un solo botón, si es que tienen un botón, podrían no hacer eso, y muchas computadoras portátiles tampoco pueden preguntar nada, por lo que tendremos que esperar y ver una eventual solución para que los fabricantes estandaricen. al.

USB-C también le permite implementar firma digital para verificar la validez del dispositivo. Si puedes leer entre líneas, huele a DRM, y eso es lo que es. Algunos fabricantes de dispositivos, especialmente los de la tríada oscura HP/Dell/Lenovo, implementarán DRM que hace que su computadora portátil acelere su CPU si el cargador o el cable es de terceros, incluso si todos son los mismos 100 W. Tiene sentido cuando Dell hace eso en los casos en los que impulsan 6A a través de una combinación de cargador, cable y computadora portátil verificada para funcionar. Pero en este punto, seamos justos, la elección concienzuda habría sido optar por EPR y 140 W, y la aceleración es imperdonable de cualquier manera.

En cuanto al tema de las computadoras portátiles, si alguna vez intentas encontrar una computadora portátil que proporcione más de 5 V en su puerto USB-C, te deseo buena suerte. Hasta donde yo sé, este tipo de computadoras portátiles no existen y necesitarás un cargador y un banco de energía.

Hay pocas razones técnicas por las que una fuente de alimentación de modo conmutado deba estar cableada a un voltaje determinado, y el USB-C rompe estas cadenas. Ahora, puedes obtener 9 V o 20 V a 3 A con un cargador de gasolinera y una pequeña placa barata, e incluso puedes cargar baterías de Li-Ion con un cargador PPS. Hay un potencial en las capacidades USB-C, que recién ahora estamos comenzando a aprovechar. A medida que pase el tiempo, los enchufes patentados y los extravagantes cargadores de voltaje que nos rodean desaparecerán por completo y nos olvidaremos de ellos, tal como nos olvidamos de todos los estándares de cables de transferencia de datos de teléfonos celulares después de que MicroUSB tomó el control. ¿Cuántos puertos de cable de datos propietarios creó Samsung por sí solo?