Todo sobre USB

USB-C elimina los cargadores de enchufe de barril patentados que hemos estado usando para computadoras portátiles y miles de otros dispositivos. Combate los estándares de los cargadores de teléfonos patentados haciéndolos explícitamente incumplidores e intimidando a las empresas para que hagan que sus dispositivos funcionen con cargadores ampliamente disponibles. Como aficionado, ya no necesita empujar 3 A a través de pequeños conectores MicroUSB y cables de baja especificación para alimentar un Pi 4 hambriento de corriente. Hoy, todo lo que necesita es un enchufe USB-C con dos resistencias, o un chip algo especial en caso de que las resistencias no te llevan a donde quieres estar.

Obtiene mucho más por su dinero 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 su dispositivo, veamos cómo podemos llevarlo más allá.

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

Un cargador tiene que admitir todos los escalones por debajo de su escalón más alto, lo que significa que los cargadores con capacidad para 20 V también tienen que admitir 5 V, 9 V y 15 V; en la práctica, la mayoría de ellos lo hacen, y solo algunos pueden saltárselos. un paso o dos. También puede obtener voltajes intermedios, hasta 3,3 V, incluso, utilizando un estándar PD llamado PPS (o el estándar AVS para cargadores de rango EPR); no es un requisito, pero encontrará que bastantes USB- Las PSU de C lo complacerán, y el soporte de PPS generalmente está escrito 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 característica. Es un protocolo bidireccional de tasa de baudios constante, hay verificaciones de CRC, requisitos de tiempo de respuesta y se usa básicamente para todo lo relacionado con USB-C, incluso negociaciones de protocolo de alta velocidad. Lo más importante es que USB-C PD es inmensamente poderoso.

Hay una cantidad alucinante 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 hacia adelante y hacia atrás, con nuevos cargadores EPR de 140 W que cargan felizmente dispositivos antiguos de 60 W a velocidades de 60 W, y cargadores de 60 W que aún se pueden usar para una carga más lenta de dispositivos que requieren 140 W. Las capacidades de USB PD van mucho más allá de "darme este voltaje limitado por esta corriente", también: los dispositivos pueden consultar las preferencias de roles de energía de los demás, los estados de carga, intercambiar roles de energía sobre la marcha, determinar de qué es capaz un cable y hacer todo. eso con la seguridad en mente.

Si aún no aprecia la complejidad, permítame guiarlo a través de un escenario complejo que USB-C simplifica. Imagine una base USB-C con un puerto USB3, un puerto HDMI y un puerto de entrada del 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 necesita HDMI o un puerto USB3 adicional sobre la marcha, y algunos de estos muelles también tienen Ethernet, difícil de dejar pasar. En general, la base actúa como un disipador de energía y la computadora portátil actúa como una fuente de energía. Sin embargo, el arreglo se da la vuelta cuando conecta un cargador con capacidad de alto voltaje en el puerto de entrada del cargador de esta base.

El IC dentro de la base detectará el cargador y actuará como intermediario, hablando de PD con la computadora portátil y el cargador, determinando las capacidades y los requisitos 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 de 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 intercambio de roles de energía está diseñado para completarse en un período breve: sus dispositivos USB3 y HDMI no sufrirán caídas de tensión y las comunicaciones de alta velocidad no se interrumpirán cuando se produzca el cambio de roles de energía. Los 20 V tampoco llegan a los pines de solo 5 V: la base tiene regulación de potencia y compuerta en el interior para evitar eso. La base también funcionará si su computadora portátil o teléfono no admite la 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 fallarán de forma segura.

El IC de base conoce el presupuesto de energía para sus propios puertos USB3 y HDMI, y lo resta del presupuesto de energía del cargador antes de presentárselo a la computadora portátil, y la computadora portátil sabe exactamente cuánta corriente puede consumir y puede apegarse a eso. para alimentar todo, mantener feliz el cargador 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 puede comprar un muelle como este por solo $ 10 en línea. Todas estas características no son una casualidad o 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 nivel de consumidor con datos USB-C y opciones de carga pueden manejar todas las cosas enumeradas anteriormente sin sudar.

Si le gusta conocer los avances tecnológicos de los consumidores y los piratas informáticos, encontrará USB-C 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 de potencia con PD.

Digamos que conectas 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 para cualquier valor superior a eso. Como puede ver, antes de que sean posibles voltajes más altos, primero tiene que ir 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.

Las resistencias permanecen conectadas durante las comunicaciones; de hecho, la combinación de la resistencia pullup y pulldown debe estar presente constantemente para que el cargador siga suministrando corriente, incluso a voltajes mucho más allá de 5 V. El voltaje de línea CC se usa para que la PSU pueda determinar rápidamente cuándo se ha desenchufado un dispositivo y viceversa; esto ayuda con las funciones de seguridad, como reducir los arcos de contacto a voltajes más altos al desconectar el cable y asegurarse de que el cargador salga de sus modos de voltaje más alto para que no destruir 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 al voltaje de la línea CC. Se podría decir que PD es un protocolo medio digital. Este requisito de PD, además de exigencias como la aplicación de VCONN al pin actualmente no utilizado para comprobar cables de alta velocidad o de > 3 A, dificulta 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 que hablan de PD que puede conectar a través de I2C si su microcontrolador carece de uno.

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

Puede comprar un IC amigable para hablar PD por usted. Es posible que haya oído hablar de las "placas de activación 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 y chips de activación PD 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 absolutamente no lo hizo. intención de que eso suceda.

Hay una serie de 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 solo compramos una PCB pequeña con todo soldado y no nos preocupamos por los circuitos integrados específicos; Dicho esto, querrá tener algunas sugerencias cada vez que se proponga diseñar un dispositivo con un puerto USB-C de alto voltaje, con eventos sorpresa de agotamiento de existencias y todo eso.

Las placas de activación de PD no son perfectas para todo. Digamos que desea alimentar una carga resistiva de 8 Ω a través de USB-C; usemos un soldador compatible con 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 felizmente alimentará su carga, por lo que puede configurar su placa de disparo de forma segura a 20 V con un puente de soldadura. Sin embargo, 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 la placa de disparo no están diseñados con una lógica como esta en mente; por lo tanto, existen proyectos como PD Buddy Sink, que combina un chip que habla de PD con una MCU que puede manejar una lógica más compleja.

De hecho, las placas de activación no suelen 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 uso de implementos protecciones contra sobrecorriente; estos son obligatorios por USB-C y los realiza la mayoría, dicho esto, tampoco desea que su dispositivo se encienda cada pocos segundos. Además, si desea un puerto de doble función que funcione con adaptadores OTG o tal vez pueda hacer carriles de alta velocidad, un IC disparador no podrá ayudarlo, y no puede simplemente conectar múltiples IC PD solicitando 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 de USB-C y lo ayudarán con sus proyectos de USB-C en lo que respecta a voltajes más altos.

¿Qué sucede si tiene una fuente de alimentación con conector de barril 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 puede simplemente insertar 20 V en un puerto USB-C y esperar que su computadora portátil se cargue. De hecho, su computadora portátil podría morir si hace eso; no se garantiza que no se libere humo mágico; algunas computadoras portátiles tienen protecciones contra eso, pero he sido testigo de que este arreglo causa emisiones de humo mágico, y preferiría que eso no te suceda a ti también. Desea hacerlo correctamente, y para eso, primero debe pasar por la canción de negociación de PD y bailar, limitando el voltaje suministrado a 5 V mientras lo hace.

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 20 V es lo que necesita su dispositivo. 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 utilizar bien con cosas 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 encontrar que su computadora portátil carga su banco de energía en su lugar, y lo mismo podría suceder si conecta su teléfono a su computadora portátil. No es frecuente que suceda y parece que algunos fabricantes de powerbank logran evitar tal arreglo; sin embargo, es posible que a otros productos no les vaya tan bien.

Hay disposiciones para el intercambio de información sobre el nivel de la batería en USB-C, pero supongo que no todos las utilizan o 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 las Chromebooks hacen eso. Los bancos de energía con sus controles de un solo botón, si es que tienen un botón, es posible que no lo hagan, y muchas computadoras portátiles tampoco pueden preguntar nada, por lo que tendremos que esperar y ver hacia una solución eventual para que los fabricantes estandaricen al.

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

Sobre el tema de las computadoras portátiles: si alguna vez intenta encontrar una computadora portátil que proporcione más de 5 V en su puerto USB-C, le deseo buena suerte. Que yo sepa, no existen tales computadoras portátiles, y querrá un cargador y un banco de energía.

Hay pocas razones técnicas por las que una fuente de alimentación de modo conmutado debe estar cableada a un cierto voltaje, y USB-C rompe estas cadenas. Ahora, puedes conseguir 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. Existe un potencial en las capacidades de USB-C, que recién ahora estamos comenzando a aprovechar. A medida que pasa el tiempo, los enchufes patentados y los cargadores de voltaje extraño que nos rodean se extinguirán por completo, y nos olvidaremos de ellos, al igual que nos olvidamos de todos los estándares de cable de transferencia de datos de teléfonos móviles después de que MicroUSB se hizo cargo. ¿Cuántos puertos de cable de datos patentados creó Samsung solo, de nuevo?