USB पर 100 वाट या पॉवर डिलीवरी कैसे काम करती है

इस पोस्ट और इसके साथ हुई चर्चा को पढ़ने के बाद, मैंने यह स्पष्ट करने का प्रयास करने का निर्णय लिया कि यूएसबी पॉवर डिलीवरी क्या है और यह वास्तव में कैसे काम करती है। दुर्भाग्य से, मुझे यह आभास हुआ कि चर्चा में भाग लेने वाले अधिकांश लोग USB के माध्यम से 100 वाट का शाब्दिक रूप से अनुभव करते हैं, और योजनाबद्ध और प्रोटोकॉल के स्तर पर इसके पीछे क्या है, इसे पूरी तरह से नहीं समझते हैं।

तो, संक्षेप में - मुख्य बिंदु:

• USB PD 5 मानक पावर प्रोफाइल को परिभाषित करता है - 5V @ 2A तक, 12V@1.5A तक, 12V @ 3A तक, 12-20V @ 3A तक और 12-20V@4.75-5A तक परिभाषित करता है
• पावर डिलीवरी के लिए केबल और पोर्ट्स प्रमाणित हैं और कनेक्टर में अतिरिक्त पिन हैं
• केबल के प्रकार और प्रोफ़ाइल के अनुरूप इसकी परिभाषा स्वचालित रूप से अतिरिक्त पिन और यूएसबी कनेक्टर (माइक्रो, मानक, ए, बी, आदि) के प्रकार के माध्यम से निर्धारित की जाती है।
• पारंपरिक USB केबल (पावर डिलीवरी नहीं) केवल 5V @ 2A तक के पहले प्रोफाइल के लिए प्रमाणित हैं
• कनेक्ट होने पर, भूमिकाओं को वितरित किया जाता है, जो वर्तमान ( स्रोत / स्रोत ) देते हैं और जो उपभोग करते हैं ( सिंक / रिसीवर )
• स्रोत और रिसीवर एक विशेष प्रोटोकॉल का उपयोग करके संदेशों का आदान-प्रदान करते हैं जो पारंपरिक यूएसबी के समानांतर चलता है
• एक भौतिक माध्यम के रूप में, प्रोटोकॉल एक जोड़ी का उपयोग करता है - VBus / GND। यही कारण है कि पावर डिलीवरी मुख्य यूएसबी प्रोटोकॉल से स्वतंत्र है और यूएसबी 2.0 और 3.0 के साथ पिछड़ा हुआ है।
• संदेशों का उपयोग करते हुए, स्रोत और रिसीवर किसी भी समय भूमिका बदल सकते हैं, वर्तमान ताकत और / या वोल्टेज को बदल सकते हैं, हाइबरनेशन में जा सकते हैं या जाग सकते हैं, आदि।
• यदि वांछित है, तो डिवाइस पारंपरिक यूएसबी अनुरोधों, डिस्क्रिप्टर आदि के माध्यम से पीडी नियंत्रण का समर्थन कर सकते हैं।

कटौती के तहत - विवरण।

पुरुषों के बारे में केबलों के बारे में

USB पावर डिलीवरी छह प्रकार के कनेक्टर के साथ काम करती है:



तदनुसार, जोड़े में निम्नलिखित प्रकार के कनेक्शन स्वीकार्य हैं

1. USB 3.0 PD Standard-A <-> USB 3.0 PD Standard-B प्लग
2. यूएसबी 3.0 पीडी स्टैंडर्ड-ए <-> यूएसबी 3.0 पीडी माइक्रो-बी प्लग
3. यूएसबी 3.0 पीडी माइक्रो-ए <-> यूएसबी 3.0 पीडी माइक्रो-बी प्लग
4. यूएसबी 3.0 पीडी माइक्रो-ए <-> यूएसबी 3.0 पीडी मानक-बी प्लग
5. यूएसबी 2.0 पीडी मानक-ए <-> यूएसबी 2.0 पीडी मानक-बी प्लग
6. यूएसबी 2.0 पीडी स्टैंडर्ड-ए <-> यूएसबी 2.0 पीडी माइक्रो-बी प्लग
7. यूएसबी 2.0 पीडी माइक्रो-ए <-> यूएसबी 2.0 पीडी माइक्रो-बी प्लग
8. यूएसबी 2.0 पीडी माइक्रो-ए <-> यूएसबी 2.0 पीडी स्टैंडर्ड-बी प्लग

अलग-अलग, यह ध्यान देने योग्य है कि विनिर्देश सीधे कनेक्टिंग केबल के एक तरफ कई कनेक्टर्स के साथ विकृतियों को प्रतिबंधित करता है, जो कि काफी तार्किक है, 100 वाट तक की धाराएं देता है। दूसरी ओर, एडेप्टर और एडेप्टर का उपयोग निषिद्ध नहीं है, बशर्ते कि वे पावर प्रोफाइल के अनुरूप हों और केबल स्क्रीन को उसके जमीन पर शॉर्ट-सर्किट न करें।

बंदरगाहों के बारे में

प्रमाणन के बाद, USB पीडी पोर्ट को निम्नानुसार लेबल किया जाता है:



यह लोगो USB संस्करण (2.0 या 3.0 सुपरस्पीड) के बारे में बताता है, साथ ही इस पोर्ट का समर्थन करने वाले पावर प्रोफाइल के बारे में भी बताता है। मूल्य "I" का अर्थ है डिवाइस के पूर्ण कामकाज के लिए आवश्यक उपभोग की गई प्रोफ़ाइल, और मूल्य "O" का अर्थ है कि पोर्ट कौन सा प्रोफ़ाइल प्रदान कर सकता है। पोर्ट लेबलिंग उदाहरण:

• पहला पोर्ट USB2 सपोर्ट करता है। यह प्रोफाइल 1 (2A @ 5V) के अनुसार बिजली की आपूर्ति कर सकता है और पूर्ण कार्य के लिए प्रोफ़ाइल 3 (5V @ 2A या 12V @ 3A) का उपयोग करता है। उदाहरण के लिए, एक टैबलेट या नेटबुक के लिए एक पोर्ट।
• दूसरा पोर्ट USB2 सपोर्ट करता है। यह प्रोफाइल 2 (2A @ 5V या 12V@1.5A) के अनुसार बिजली की आपूर्ति कर सकता है और पूर्ण संचालन के लिए प्रोफ़ाइल 4 (5V @ 2A या 12V @ 3A या 20V @ 3A) का उपयोग करता है। उदाहरण के लिए, एक लैपटॉप या लैपटॉप के लिए एक बंदरगाह।
• तीसरा पोर्ट USB3 को सपोर्ट करता है। यह केवल प्रोफाइल 1 (5V @ 2A) पर शक्ति प्रदान करता है। वह खुद VBus द्वारा संचालित नहीं है। उदाहरण के लिए, एक डेस्कटॉप, मॉनिटर, टीवी आदि का पोर्ट।
• चौथा पोर्ट USB3 को सपोर्ट करता है। जैसा कि पहले उदाहरण में, यह प्रोफाइल 1 (5V @ 2A) के अनुसार बिजली की आपूर्ति कर सकता है और इसे स्वयं पूर्ण कार्यप्रणाली (5V @ 2A या 12V @ 3A) के लिए प्रोफ़ाइल 3 के अनुसार बिजली की आवश्यकता होती है। एक उदाहरण खुद सोचिए :)

भौतिक चैनल

USB PD केबल के माध्यम से कनेक्शन के भौतिक संगठन की अवधारणा को निम्नानुसार परिभाषित करता है:



जैसा कि आरेख से देखा जा सकता है, यूएसबी पीडी को यह भी आवश्यक है कि स्रोत और रिसीवर दोनों में वोल्टेज ड्रॉप / सर्ज डिटेक्शन स्कीम हों, साथ ही उन मामलों के लिए एक डिस्चार्ज किए गए बैटरी को निर्धारित करने के तरीके जब पक्षों में से एक को इसके आंतरिक स्रोत से संचालित नहीं किया जा सकता है।

डिस्चार्ज किए गए बैटरी के निर्धारण के लिए एल्गोरिदम के रूप में निम्नलिखित सुझाव दिए गए हैं। यदि कोई एक पक्ष स्क्रीन और जमीन के बीच 1 kOhm का प्रतिरोध सेट करता है, तो यह इंगित करता है कि इसकी बैटरी को छुट्टी दे दी गई है। ऐसी स्थिति में, दूसरा पक्ष एक स्रोत की भूमिका लेता है और VBus के माध्यम से दूसरे पक्ष को शक्ति देने के लिए न्यूनतम 5V देना शुरू कर देता है और USB PD के माध्यम से संदेश देना शुरू कर देता है।

जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, प्रोटोकॉल USB पीडी संदेश के लिए VBus लाइन का उपयोग करता है। निम्नलिखित एक ब्लॉक आरेख है जो ट्रांसमीटर के प्रमुख कार्यात्मक तत्वों की पहचान करता है:



और तदनुसार, रिसीवर के लिए एक ही ब्लॉक आरेख:



सीरियलाइज्ड 4b5b एन्कोडिंग और 5b4b डिकोडिंग का मतलब है कि पैकेट पर प्रस्तावना को छोड़कर, बस में सभी डेटा मानक द्वारा परिभाषित एन्कोडिंग तालिका के अनुसार पांच-बिट अनुक्रमों में प्रेषित होता है। ऐसा प्रत्येक अनुक्रम 16 अंकों (0x00..0x0F) में से किसी एक को एन्कोड करता है, या प्रारंभ / सिंक्रनाइज़ / रीसेट सिग्नल और पैकेट के अंत में होता है। इस प्रकार, एक बाइट के प्रसारण में 10 बिट्स, 16-बिट शब्द - 20 बिट्स और 32-बिट डबल शब्द - 40 बिट्स, आदि होते हैं।

तार्किक चैनल

USB पीडी प्रोटोकॉल लगातार अनुरोध-प्रतिक्रिया जोड़े पर आधारित है। पैकेट का उपयोग करके अनुरोध और प्रतिक्रियाएं भेज दी जाती हैं। पैकेट में एक प्रस्तावना (संचरण के लिए तैयारी का चरण), एसओपी पैकेट की शुरुआत (तीन सिंक -1 संकेत और अंतिम सिंक -2 एनकोडेड 4 बी 5 बी), हेडर, 0. एन पेलोड बाइट्स, चेकसम (सीआरसी -32) और अंतिम सिग्नल शामिल हैं। पैकेट (एकल संकेत ईओपी):



जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, प्रस्तावना 4b5b में एन्कोडेड नहीं है। SOP, CRC और EOP को भौतिक परत पर 4b5b एनकोड किया गया है, हेडर और पेलोड तार्किक प्रोटोकॉल के स्तर पर एन्कोड किए गए हैं।
कोडिंग 4b5b के अनुसार, तीन सिग्नल RST1 और एक समाप्ति संकेत RST2 भेजकर बस को रीसेट कर दिया गया है।

प्रोटोकॉल

सभी USB पीडी संदेशों में एक हेडर और मनमानी लंबाई के डेटा का एक हिस्सा होता है। संदेश या तो तार्किक प्रोटोकॉल स्तर पर उत्पन्न होते हैं और फिर भौतिक परत पर भेजे जाते हैं, या भौतिक परत पर प्राप्त होते हैं और फिर तार्किक प्रोटोकॉल परत पर भेजे जाते हैं।



संदेश शीर्षलेख में 16 बिट्स की निश्चित लंबाई होती है और इसमें निम्नलिखित फ़ील्ड शामिल होते हैं:


संदेश दो प्रकार के होते हैं - नियंत्रण (नियंत्रण) और सूचना (डेटा)।

संदेशों को नियंत्रित करें

ऑडिट संदेशों में केवल हेडर और CRC होते हैं। ऐसे संदेशों के लिए डेटा ऑब्जेक्ट की संख्या हमेशा 0 पर सेट होती है। USB PD नियंत्रण संदेशों के प्रकार नीचे दी गई तालिका में प्रस्तुत किए गए हैं:


अलग से, यह उल्लेख किया जाना चाहिए कि फार्म के क्षेत्र tSourceActivity , tSinkRequest , आदि। स्थिरांक हैं जिनके मूल्य विश्व स्तर पर विनिर्देश द्वारा स्वयं एक अलग अध्याय में निर्धारित किए गए हैं। ऐसा इसलिए किया जाता है क्योंकि वे प्रोटोटाइप के परिणामस्वरूप अनुभवजन्य रूप से निर्धारित किए गए थे, और पाए गए इष्टतम मान बस एक अलग अध्याय में प्रतिस्थापित किए गए थे ताकि पूरे विनिर्देश को परिमार्जन न करें।

सूचनात्मक संदेश

इस प्रकार के संदेश को स्रोत या रिसीवर के बारे में विस्तृत जानकारी प्राप्त करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, साथ ही बिजली की आपूर्ति की वर्तमान विशेषताओं - वर्तमान ताकत, वोल्टेज, आदि को प्रसारित करने के लिए। सूचनात्मक संदेशों में हमेशा "डेटा ऑब्जेक्ट्स की संख्या" फ़ील्ड में एक गैर-अक्षीय मान होता है।

विनिर्देश चार प्रकार के सूचनात्मक संदेशों को परिभाषित करता है:

• पावर डेटा ओब्जेक्ट टी (पीडीओ) - स्रोत पोर्ट विशेषताओं या रिसीवर आवश्यकताओं का वर्णन करने के लिए उपयोग किया जाता है
• अनुरोध डेटा ऑब्जेक्ट (आरडीओ) - बिजली की विशेषताओं पर एक समझौते को स्थापित करने के लिए रिसीवर पोर्ट द्वारा उपयोग किया जाता है
• BIST (बिल्ट इन सेल्फ टेस्ट) डेटा ऑब्जेक्ट (BDO) - का उपयोग शारीरिक कनेक्शन के लिए विनिर्देशों के अनुपालन के लिए कनेक्शन का परीक्षण करने के लिए किया जाता है
• विक्रेता डेटा ऑब्जेक्ट (वीडीओ) - उपकरण निर्माता द्वारा परिभाषित और गैर-मानक, अतिरिक्त या अन्य मालिकाना जानकारी को प्रसारित करने के लिए उपयोग किया जाता है और यूएसबी पीडी विनिर्देश के दायरे से परे।

सूचना शीर्षकों के प्रकार संदेश शीर्षलेख के "संदेश प्रकार" फ़ील्ड में इनकोड किए गए हैं:

फ़ीचर रिपोर्ट

स्रोत पोर्ट को हमेशा 32-बिट पीडीओ की एक श्रृंखला को प्रेषित करके इसकी विशेषताओं को रिसीवर तक पहुंचाना चाहिए। इन वस्तुओं के माध्यम से प्रेषित जानकारी का उपयोग स्रोत की क्षमताओं को निर्धारित करने के लिए किया जाता है, जिसमें रिसीवर मोड में काम करने की क्षमता भी शामिल है।
विशेषताओं के बारे में संदेश शीर्षक के बाद एक या एक से अधिक वस्तुओं के रूप में प्रस्तुत किए जाते हैं:


प्रदर्शन रिपोर्ट प्रेषित की जाती हैं:

• एक निश्चित समय अंतराल के बाद स्रोत से रिसीवर तक, एक सीधा केबल कनेक्शन के साथ। स्रोत को एक सफल बिजली समझौता स्थापित होने तक कनेक्ट करने के बाद एक मिनट के लिए संदेश भेजना जारी रखना चाहिए, या रिसीवर क्षमता बेमेल - प्रदर्शन बेमेल के साथ एक आरडीओ लौटाता है।
• पावर एग्रीमेंट या बदलती विशेषताओं को फिर से स्थापित करने के उद्देश्य से स्रोत से रिसीवर तक।
• Get_Source_Cap या Get_Sink_Cap नियंत्रण संदेशों के जवाब में

प्रत्येक पीडीओ ऑब्जेक्ट को एक अलग बिजली आपूर्ति तत्व की विशेषता होनी चाहिए जो कि इसके लिए अनुमत अधिकतम वोल्टेज मूल्यों पर डिवाइस का हिस्सा है। उदाहरण के लिए, एक अंतर्निर्मित 2.8-4.1V बैटरी, एक स्थिर 12V बिजली की आपूर्ति, आदि। सभी बिजली आपूर्ति तत्वों को कम से कम 5 वी का समर्थन करना चाहिए और, तदनुसार, प्रत्येक स्रोत में 5 वी विशेषताओं वाले प्रोफाइल के अनुरूप कम से कम एक पीडीओ होना चाहिए।

5V की निरंतर प्रकार की बिजली आपूर्ति के साथ एक तत्व के समान पीडीओ को हमेशा वस्तुओं की श्रृंखला में पहले जाना चाहिए।

पीडीओ वस्तु संरचना:


प्रत्येक प्रकार की बिजली आपूर्ति के लिए, विभिन्न विशेषताओं की पेशकश की जाती है।

लगातार बिजली की आपूर्ति, निरंतर वोल्टेज। एक स्रोत में कम से कम एक ऐसा तत्व होना चाहिए:


प्रोग्रामयोग्य प्रकार की बिजली की आपूर्ति, वोल्टेज को न्यूनतम और अधिकतम के बीच क्वेरी द्वारा विनियमित किया जा सकता है:


परिवर्तनीय प्रकार की बिजली की आपूर्ति, वोल्टेज पूर्ण न्यूनतम और पूर्ण अधिकतम की निर्दिष्ट सीमाओं के भीतर भिन्न हो सकती है, लेकिन इसे विनियमित नहीं किया जा सकता है:


बैटरी , इस प्रकार का उपयोग उन बैटरी को इंगित करने के लिए किया जाता है जो सीधे VBus लाइन से जुड़ी हो सकती हैं:

संदेश का अनुरोध करें

पावर समझौते की स्थापना के चरण में अपनी आवश्यकताओं को संचारित करने के लिए रिसीवर द्वारा स्रोत को अनुरोध संदेश भेजे जाते हैं। यह संदेश विशेषताओं संदेश के जवाब में भेजा गया है और इसमें एक और केवल एक डेटा अनुरोध ऑब्जेक्ट - आरडीओ होना चाहिए, जो रिसीवर के लिए आवश्यक बिजली विशेषताओं के बारे में जानकारी का वर्णन करता है।

इस अनुरोध के दो प्रकार हैं, जो स्रोत की विशेषताओं के बारे में संदेश में प्रेषित बिजली आपूर्ति के पता योग्य प्रकार पर निर्भर करता है। निरंतर या परिवर्तनीय प्रकार के बिजली आपूर्ति तत्व या बैटरी के अनुरोधों के लिए, "ऑपरेटिंग करंट / पॉवर" और "टोटल करंट / प्रोग वोल्टेज" फील्ड को एक तरह से व्याख्या किया जाता है, और प्रोग्रामेबल टाइप एलीमेंट को दूसरे तरीके से अनुरोध करने के लिए, क्योंकि इस मामले में वोल्टेज भी अनुरोध किया जाता है। , और वर्तमान ताकत।

RDO ऑब्जेक्ट की संरचना:


मेरी राय में, यह जानकारी यूएसबी पावर डिलीवरी के सिद्धांतों के बारे में एक अच्छा विचार प्राप्त करने के लिए पर्याप्त है। मैंने जानबूझकर टाइमर्स, काउंटर्स और एरर हैंडलिंग से जुड़े जंगल में प्रवेश नहीं किया।

पारंपरिक USB के साथ कनेक्टिविटी

जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, पावर डिलीवरी एक स्वतंत्र सबसिस्टम है जो कैनोनिकल यूएसबी के समानांतर और स्वतंत्र रूप से संचालित होता है। हालांकि, ऐसे मामलों में जहां डिवाइस दोनों प्रोटोकॉल - यूएसबी और पावर डिलीवरी को लागू करते हैं, विनिर्देश तथाकथित के कार्यान्वयन की सिफारिश करता है। सिस्टम पॉलिसी मैनेजर या एसपीएम, एक घटक जो पारंपरिक यूएसबी अनुरोधों के माध्यम से यूएसबी पीडी उपकरणों को नियंत्रित कर सकता है।



एसपीएम समर्थन वाले सिस्टम के लिए, विनिर्देश विशेष प्रकार के यूएसबी विवरणकों के माध्यम से पीडी जानकारी प्रदान करने की सिफारिश करता है। मैं विस्तार से विवरण में जाना जरूरी नहीं समझता, बस उनके नाम सूचीबद्ध करता हूं:

• पॉवर डिलीवरी कैपेसिटी डिस्क्रिप्टर , बीओएस डिस्क्रिप्टर का एक अभिन्न हिस्सा है और रिपोर्ट करता है कि क्या डिवाइस यूएसबी के माध्यम से बैटरी चार्जिंग का समर्थन करता है, चाहे वह यूएसबी पीडी मानक का समर्थन करता है, चाहे वह पावर स्रोत के रूप में कार्य कर सकता है, और क्या यह एक रिसीवर हो सकता है। इसके अलावा, इस डिस्क्रिप्टर में स्रोत पोर्ट की संख्या, रिसीवर पोर्ट और समर्थित USB बैटरी चार्जिंग और पावर डिलीवरी विनिर्देशों के संस्करण के बारे में जानकारी है।
• बैटरी की क्षमता क्षमता विवरणक , उन सभी उपकरणों के लिए आवश्यक है जो बैटरी को बिजली की आपूर्ति के रूप में दावा करते हैं। इसमें नाम, सीरियल नंबर और बैटरी के निर्माता, इसकी क्षमता और एक चार्ज और डिस्चार्ज स्थिति में थ्रेशोल्ड वर्तमान मूल्यों के बारे में जानकारी शामिल है।
• पीडी उपभोक्ता पोर्ट क्षमता डिस्क्रिप्टर , उन सभी उपकरणों के लिए आवश्यक है जिन्होंने कम से कम एक रिसीवर पोर्ट के लिए समर्थन की घोषणा की है। पावर डिलीवरी और बैटरी चार्जिंग मानकों, न्यूनतम और अधिकतम वोल्टेज, ऑपरेटिंग पावर, अधिकतम पीक पावर और अधिकतम समय के लिए समर्थन जानकारी शामिल है जो इस पीक पावर का उपभोग कर सकता है
• पीडी प्रोवाइडर पोर्ट कैपेबिलिटी डिस्क्रिप्टर , उन सभी उपकरणों के लिए आवश्यक है जिन्होंने कम से कम एक बिजली आपूर्ति पोर्ट के लिए समर्थन की घोषणा की है। इसमें पावर डिलीवरी और बैटरी चार्जिंग मानकों के समर्थन के बारे में जानकारी है, साथ ही सभी पीडीओ ऑब्जेक्ट्स की एक सूची है जो डिवाइस के लिए उपलब्ध पावर तत्वों की विशेषता है।
• पीडी पावर आवश्यकता डिस्क्रिप्टर , USB पीडी का समर्थन करने वाले सभी रिसीवर उपकरणों के लिए आवश्यक है। प्रत्येक डिवाइस को कम से कम एक ऐसे डिस्क्रिप्टर को कॉन्फ़िगरेशन डिस्क्रिप्टर के हिस्से के रूप में वापस करना होगा। यह वर्णनकर्ता पहले इंटरफ़ेस विवरणक के तुरंत बाद जाना चाहिए। मामले में जब उनमें से कई होते हैं, तो इसे फ़ंक्शन इंटरफ़ेस के प्रत्येक पहले विवरणक के बाद जाना चाहिए, अगर IAD का उपयोग किया जाता है, या IAD के बिना एक समग्र डिवाइस के मामले में, प्रत्येक इंटरफ़ेस वर्णनकर्ता के तुरंत बाद, और समापन बिंदु वर्णनकर्ता से पहले।

USB अनुरोधों के माध्यम से USB पॉवर डिलीवरी को नियंत्रित करने के लिए, यदि डिवाइस पॉवर डिलीवरी क्लास का समर्थन करता है, तो विनिर्देश ऐसे आदेश प्रदान करता है, जिनका उपयोग डेटा के माध्यम से USB के माध्यम से PD अनुरोधों और वस्तुओं को स्थानांतरित करने के लिए किया जा सकता है। एक सारांश तालिका नीचे दी गई है:

निष्कर्ष

मुझे उम्मीद है कि इस पोस्ट ने USB Power Delivery में जनहित को बढ़ावा दिया है। मैं विनम्रतापूर्वक ध्यान देता हूं कि लेखक सीधे इस विनिर्देश से संबंधित है, इसलिए मैं विशेष रूप से पावर डिलीवरी और सामान्य रूप से यूएसबी के बारे में किसी भी प्रश्न का उत्तर देने के लिए तैयार हूं।

निष्ठा से।