USB (Universal Serial Bus) ist die am weitesten verbreitete Computerschnittstelle der Welt. Sie begann als Erweiterungsbus für PCs, hat sich aber aufgrund ihrer Flexibilität, Leistung und Hot-Plug-Fähigkeit schnell verbreitet. Die meisten tragbaren elektronischen Geräte, die an einen PC angeschlossen werden müssen, verwenden USB zum Übertragen von Dateien; Dazu gehören MP3-Player, Digitalkameras, Handys und Tablets.
Da ein Standard-USB-Downstream-Port mindestens 500 mA (USB 2.0) bzw. 900 mA (USB 3.0) Strom liefern kann, eignet er sich auch zum Laden dieser Geräte. Aber wenn diese Stromgrenze erhöht würde, könnte das Laden effizienter erfolgen. Dies kann durch die Verwendung des USB2534-Hub-Controllers von Microchip mit RapidCharge erreicht werden.
Wenn der erforderliche Strom die Grenzwerte überschreitet, müssen sowohl das geladene Gerät als auch der Ladeanschluss einem Protokoll folgen, um das Laden des Akkus zu ermöglichen.
Der aktuelle Batterieladeanschluss ist dafür verantwortlich, das zu ladende Gerät mit der richtigen Verbindungssignalisierung zu versehen, um anzuzeigen, dass es mit einem Ladeanschluss verbunden ist und Ströme ziehen kann, die die Grenzen des USB-Standards überschreiten. Die richtige Beschilderung variiert je nach tragbarem Gerät. Einige tragbare Geräte folgen den USB-IF BC1.2-Protokollen, aber es gibt eine Basis von installierten Geräten, die proprietäre oder traditionelle (Legacy-)Verbindungsprotokolle zum Laden des Akkus verwenden.
Legacy-Geräte unterstützen eine Art Batterieladungserkennung für ein dediziertes Ladegerät. Einige dieser Ladegeräte schließen D+ und D- direkt kurz oder verbinden sie über einen Vorwiderstand. Zur Erkennung des Ladegeräts erhöhen einige herkömmliche Geräte die Spannung an D+ und erfassen dann eine Spannung an D-. Wenn eine positive Spannung erkannt wird, kann das Gerät daraus schließen, dass es an ein dediziertes Ladegerät und nicht an einen Standard-USB-Anschluss angeschlossen ist. Andere Geräte senken die Spannung auf der Datenleitung, während sie die andere erhöhen. Wenn das Gerät ein Ladegerät durch das Vorhandensein einer Spannung an D- erkennt, kann es mit dem Laden über die Vbus-Verbindung bei Strompegeln beginnen, die die USB-Spezifikationen überschreiten.
Andere traditionelle Geräte verlassen sich darauf, dass das Ladegerät feste Spannungen (mehr als 1 V) an die Datenleitungen D+ und D- liefert; Sie werden als SE1-Ladegeräte bezeichnet. Erkennt das zu ladende Gerät diese Spannungen, geht das Gerät davon aus, dass es an ein dediziertes Ladegerät angeschlossen ist und beginnt mit dem Ladevorgang. Ein Standard-USB-Anschluss würde diese Festspannungen nicht an die Leitungen D+ und D- liefern.
Ladeerkennung
Das tragbare Gerät ist für die Erkennung des Ladegeräts verantwortlich, und Abb. 1 zeigt die notwendige Hardware.
Fig. 1 zeigt fünf Funktionsblöcke: Vbus-Erkennung, Datenkontakterkennung, Primärerkennung, Sekundärerkennung und ACA-Erkennung. Ein tragbares Gerät enthält einen Vergleicher für gültige Sitzungen. Vbus muss über der Schwellenspannung liegen, bevor die Ladegeräterkennung gestartet wird. Dies ist im Diagramm als VOTG_SESS_VLD angegeben. Data Contact Detection ist ein optionaler Block, der verwendet wird, um zu bestätigen, dass Datenleitungen während der Verbindung in Kontakt sind. Eine Stromquelle an D+ und ein Pulldown-Widerstand an D- werden aktiviert. Wenn die D+-Leitung niedrig wird, zeigt dies an, dass die Datenleitungen mit einem Ladeport oder einem Standardport verbunden sind, und die Logik beginnt mit der primären Erkennung. Eine Timeout-Schaltung wird benötigt, um sicherzustellen, dass die Primärerkennung nach einer festgelegten Zeit nach dem Einschalten initiiert wird, falls keine Kontakterkennung oder kein Datenkontakterkennungsblock vorhanden ist. Ein tragbares Gerät ist erforderlich, um eine primäre Erkennung durchzuführen, die verwendet wird, um zwischen einem Standard-Downstream-Anschluss (USB) und einem Ladeanschluss zu unterscheiden. Abb. 2 zeigt, was passiert, wenn das Gerät an einen dedizierten Ladeport (DCP) angeschlossen ist, Abb. 3, wenn es an einen Lade-Downstream-Port (CDP) angeschlossen ist, und Abb. 4, wenn es an einen Standard-Downstream-Port (SDP) angeschlossen ist. .
Sekundärdetektion wird verwendet, um zwischen einem DCP und einem CDP zu unterscheiden. Wenn ein tragbares Gerät innerhalb einer festgelegten Zeit nach der Vbus-Erkennung zur Identifizierung bereit ist, kann es die sekundäre Erkennung umgehen und muss sie andernfalls implementieren. Nur tragbare Geräte mit USB-Micro-AB-Anschluss bieten ACA-Erkennung und sind daher optional. Die Erkennung erfolgt durch Messen des Widerstands des ID-Pins.
Laden Sie den Akku auf
Der USB2534-Hub-Controller von Microchip enthält die RapidCharge-Technologie, um tragbaren Geräten an Downstream-Ports die richtige Verbindungssignalisierung bereitzustellen, um das Laden des Akkus zu ermöglichen. Es verfügt auch über eine Erkennungsfunktion für vorgeschaltete Akkuladegeräte für USB. Um die meisten tragbaren Geräte aufzuladen, müssen geeignete Verbindungssignale für herkömmliche Ladegeräte, SE1-Ladegeräte, Ladegeräte gemäß der chinesischen Telekommunikationsindustrie-Batterieladegerät-Spezifikation YD/T 1591-2009 und BC1.2-kompatible Geräte bereitgestellt werden. Der Hub-Controller enthält alle diese Protokolle, um eine vollständige Akkuladung durchzuführen, die für Geräte von Apple, Samsung und anderen geeignet ist.
Wenn ein USB-Downstream-Port zum Laden des Akkus konfiguriert ist, ist der Port ein CDP, wenn er das Gerät identifizieren kann, oder ein DCP, wenn dies nicht möglich ist. Wenn der Port nicht für das Laden des Akkus konfiguriert ist, handelt es sich um einen SDP.
Pulldown-Ports können für das Laden der Batterie aktiviert werden, indem ein Pullup-Widerstand (10 kΩ) zum Batterieladekonfigurationsband für den entsprechenden Port hinzugefügt wird. Diese Bänder werden beim Zurücksetzen abgetastet, und wenn das Abtasten hoch ist, wird der entsprechende Anschluss aktiviert, um die Batterie aufzuladen. Das Laden des Akkus kann auch aktiviert werden, um die integrierten Konfigurationsregister zum Laden des Akkus des USB2534 zu verwenden. Diese Konfigurationsregister werden von der internen ROM-Firmware verwendet, um die Batterieladefunktionalität für jeden Port zu konfigurieren. Diese Register können durch eine Konfiguration geändert werden, die mit dem ProTouch-Programmiertool in den One Time Programmable (OTP)-Speicher programmiert wurde.
Das ProTouch Tool ist ein von Microchip entwickeltes Tool für die Konfiguration und Programmierung des USB2534-Hub-Controllers. Es kann für die Entwicklung und das Prototyping beim Programmieren eines oder mehrerer Geräte in einer Fertigungsumgebung verwendet werden.
Wenn kein Upstream-Vbus und daher kein USB-Host mit dem Upstream-Port verbunden ist, fungieren die Downstream-Ports, die das Laden der Batterie ermöglichen, als DCP-Ports. Ports, die für das Laden des Akkus aktiviert sind, geben diesen Modus aus, wenn der Upstream-Port eine Verbindung zum Host hat.
Es wechselt auch in den DCP-Modus, wenn der USB2534 suspendiert und Remote Wake deaktiviert ist. Beim Laden des Akkus im DCP-Modus versucht der Port, das BC-fähige Gerät zu kontaktieren und zu identifizieren. Im DCP-Modus bootet das Gerät immer im SE1-Modus. Es kann die Verbindung eines SE1-Geräts nicht erkennen, aber es kann die Verbindung eines Nicht-SE1-Geräts erkennen, wenn das Gerät zwischen DM und DP umschaltet.
Sobald der USN2534 in den RapidCharge-Modus wechselt, wechselt er in den SE1-Lademodus und der Anschluss zeigt die SE1-Spannungspegel an. Wenn ein SE1-Gerät angeschlossen ist, erkennt es passiv die S1-Pegel und beginnt mit dem Laden. Das DCP kann das Vorhandensein des SE1-Geräts nicht erkennen. Der Port bleibt im SE1-Lademodus, während das SE1 PD geladen wird.
Wenn ein BC 1.2-Gerät angeschlossen ist, ist sein Strom hoch genug, um die D-Leitung auf Low zu ziehen. In ähnlicher Weise wurde beobachtet, dass herkömmliche Ladegeräte die D-Leitung beim Anschließen auf Low ziehen. Um dies anzunehmen, geht der Downstream-Port in den traditionellen Lademodus, wenn ein niedriger Pegelzustand der klassischen D-Leitung erkannt wird. Der Zustand der D-Leitung wird entprellt, um falsche Erkennungen angeschlossener Geräte zu verhindern. Abb. 5 zeigt den herkömmlichen Lademodus.
Ports, die für das Laden des Akkus aktiviert sind, verlassen den DCP-Modus und wechseln in den CDP-Modus, wenn der Upstream-Port eine Verbindung zum Host erhält. Beim Erkennen des Befehls zum Festlegen der Adresse des Hosts wird jeder BC-aktivierte Port für mindestens 250 ms heruntergefahren, bevor er online gehen kann, damit der Stromanschluss heruntergefahren werden kann. Wenn der Host einen Befehl zum Aktivieren des Stromanschlusses sendet, wird der Befehl entsprechend verzögert. Wird der Befehl nach Ablauf der Zeitmessung empfangen, kann er sofort ausgeführt werden. Ein externer Mikrocontroller kann die automatische Ladeerkennungssequenz außer Kraft setzen, indem er die Batterieladeregister der SMBus-Laufzeit modifiziert. Da der Batterieladeerkennungsstart standardmäßig eingestellt ist, muss der Mikrocontroller in das Batterieladesteuerregister oder das Konfigurationslatchregister schreiben, um die Autosequenz vor dem Starten der Sequenz zu deaktivieren. Wenn die automatische Sequenzierung deaktiviert ist, kann der Mikrocontroller immer noch manuell booten.
Fazit
Das USB-Akkuladen bietet einen praktischen Mechanismus zum Aufladen von Akkus in tragbaren Geräten wie Mobiltelefonen und Tablets. Das USB-IF hat die BC1.2 Battery Charging Specification veröffentlicht, um bei der Standardisierung der Protokolle zu helfen, die zwischen Ladegeräten und Ladegeräten verwendet werden, um ein sicheres Laden von Batterien zu ermöglichen. Der USB2534-Hub-Controller von Microchip mit RapidCharge bietet Batterieladeprotokolle wie Traditional, SE1, Chinese Telecommunications Industry YD/T 1591-2009 und USB-IF BC1.2 zum geeigneten Batterieladen für Apple-, Samsung-Geräte und viele andere Geräte.
Der Hub-Treiber bietet auch eine Akkuladungserkennung für tragbare Geräte, die eine USB-Ladegerät-Erkennungsfunktion benötigen.
