USB充電および「スマート」充電ポート（AnkerのPowerIQなど）はどのように機能しますか？

ここでEEを趣味で理解しているソフトウェアエンジニア。

最近、USBバッテリーパックの製造元から、ポートが「スマート」で「デバイスを識別する」から「デバイスの最大電流を供給する」という多くの主張に気付きました。この問題をざっと見てみると、これが完全にマーケティング言語ではないことを暗示しているように見えます。実際、もっと複雑なことが起こっています。

リチウムイオン電池の微妙な化学的性質や充電コントローラーの性質を理解していないので、電池をできるだけ早く充電するには、できるだけ多くの電流を引き込み、電池の仕様のみに制限すると思います。デバイスは、充電量を1Aに制限することが文書化されているので、確実にさらに多くの電力を消費できることが文書化されているため、これは事実であってはなりません。どうしてこれなの？

電流の引き込みが非常に制御されている場合、デバイスがより多くの電流を引き込むことができるようにこれらのスマートポートで何が起こっているのでしょうか？Ankerバッテリーの製品ページから、彼らは自分のポートがデバイスを識別し、「その独特な充電言語を話す」と主張している（その言い回しは吐き気を催させる）。たぶん、その言い回しにそれほど厳しく反応するべきではありません-実際にUSBデータラインは何らかの充電パターンのネゴシエーションに使用されていますか？

ありがとう！

USB仕様には、500mAを超える電流を許容する2つの追加があります。

仕様1.1 USB充電バッテリー。最大1.3Aまで可能です。

USBバッテリー充電仕様1.2（およびこれ）。最大5Aまで可能です。

概要：

• USB 2.0-BCS 1.1：1.3A電流、データ送信なし。
• USB 2.0-BCS 1.2：データ付きの5A電流。
• USB 3.0-BCS 1.2：5Aの電流処理ですが、電流は1.5Aに制限され、データはありません。

詳細はこちらをご覧ください

編集：製造元は標準に準拠せず、独自の製品を使用する場合があります。「独自の」何かは、データピンを空中または特定の電圧でぶら下げてから、任意の量の電流を供給することです...

実際には、「スマート」充電器は、専用充電ポートコントローラーと呼ばれる特別なチップを使用します。DCPコントローラーはさまざまな充電器のように動作でき、最適に機能するモードを選択します。

これは、通常の（「ダム」）壁充電器がUSBのデータ接続を使用して、静的なアナログ方式で信号を送信するためです。「スマート」な充電器でも同じことができますが、静的な方法ではありません。充電デバイスの動作を監視し、そこから理想的なセットアップを差し引いて、エミュレートできます。

専用充電ポートコントローラチップの例は、Texas Instruments TPS2510シリーズ「USB充電ポートコントローラ」、Maxim MAX14600シリーズ「USBホスト充電器識別/アダプタエミュレータ」、およびNorelsys NS3601です。「USB高速充電ポートコントローラ」です。

TPS2513aデータシートの画像（著作権TI）：

同様に、MAX14600（著作権マキシム）：

USBデータライン（「DP」および「DM」）にはいくつかの構成可能なリソースがあり、これらは「スマート」ロジックによって制御されていることがわかります。

いくつかの説明

さまざまな充電可能なデバイスには、さまざまな種類の充電器が必要です。これは、USB仕様が最初に「充電」動作を指定しなかったためと、一部のメーカーがデバイスを自分の壁のプラグでできるだけ早く充電することを望んでいるためです。また、デバイスは許容されると想定できるよりも多くの電流を引き込まない場合があります誤って設計された電源が過熱するリスクを回避するためます。

注：以下の説明では、問題をさらに複雑にするUSB​​3、USB Power Delivery、およびQualcomm Quick Chargeテクノロジーを無視します（たとえば、5ボルトを超える電圧の増加をサポートします）。

これらのタイプのUSBソケットは区別できます。

• 通常のUSBポート（PCなど）。これは、SDP、標準ダウンストリームポートと呼ばれます。アンSDPは、100ミリアンペアまで供給し、接続されたデバイスは、うまくそれを要求し、あれば500ミリアンペアにその制限を押し上げることと USBホストはそれが可能だと同意し、許可されます。
  • 実際には、ほぼすべてのSDPは、適切な通信がなくても500mAを供給します。小型ファンやマグヒーターなどのUSB機器は通信しませんが、それでも100mA以上が必要です。
• 通信機能と追加の充電機能を備えたUSBポート。これは、CDP：ダウンストリームポートの充電と呼ばれます。これは最大1500mAを供給できます。非通信のダウンストリームデバイスは、USBデータラインD +およびD-を抵抗またはショートで接続することにより、充電器にこれを知らせることができます。
• 中国のテレコミュニケーション業界標準YD / T 1591-2009は、CDP仕様に先立って影響を与えました。D +とD-の間のショートを指定します。
• 通信機能のないUSBポート（壁のプラグなど）。これはDCP：専用充電ポートと呼ばれます。基本的に、USBホスト（PC）と通信する手段のないCDPです。
• DCP仕様に従わないDCPポート（USBバッテリー充電仕様1.2から）。これらの壁のプラグには、データラインに接続されたさまざまな抵抗器のセットアップがあり、充電デバイスで読み取ることができる固定電圧になります。「認識可能な」電圧のリストは非常に長く、これはほんの抜粋です。
  • Apple 0.5A（2VでD +、D- @ 2V）
  • Apple 1A（2V / -2.8V）
  • Apple 2.1A（2.7V / 2.0V）
  • Apple 2.4 A（2.7V / 2.0V）
  • ソニー（3.3V / 3.3V）
  • 多く（サムスンを含む）2A（1.2V / 1.2V）

「スマート」充電器、つまり「内部のDCPコントローラチップ」は、さまざまな抵抗値で標準のDCPポートをエミュレートできます。また、非標準のDCP電圧のいくつかをエミュレートできます。

秘密のソース

チップメーカーは「検出」ロジックがどのように機能するかを実際には説明していませんが、唯一のオプションは、充電デバイスがD +およびD-ラインで何をしているかを監視し、引き出されている電流を調べることです。

これは間違いなく多くの試行錯誤の研究を必要とし、アルゴリズムはおそらく厳重に守られた秘密として保持されます。

使用される可能性のある1つの手法は、エミュレートされた状態を循環し、引き出される電流の量に注目することです。電流が最も高い状態が「最良」であり、アクティブのままです。

サイドノート

充電器は「デバイスに最大電流を供給する」と主張する充電器メーカーのマーケティングと混同しないでください。USBソケットは電圧です源です。電圧を制御するだけで、充電中にどれだけの電流を「取り込む」かを決定するのは充電デバイスです。

そのため、少なくとも安全な最大5.1ボルトを下回らない限り、充電器が電流を受け入れないデバイスに電流を「強制」することはできません。

進行中の唯一のことは、想像できる最も能力が高く、最適で最も互換性のある充電器に接続されていると充電装置に信じさせるための策略です。

その他のリンク

• https://en.wikipedia.org/wiki/USB
• http://lygte-info.dk/info/USBinfo%20UK.html
• http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2514a-q1.pdf
• https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX14600-MAX14618.pdf
• http://www.norelsys.com/English/chanpinzhongxin/SMARTPOWER/2015/0601/123.html

私もソフトウェアエンジニアですが、仕事の一部はUSB仕様のドキュメントを読むことです。私が知っていることは次のとおりです。

Power over USBには2つの公式プロトコルがあります。最初のBCDは2007年にリリースされ、2010年に更新されました。さまざまなデータライントリックを使用して、ダウンストリームデバイスがシンクできる電力量を識別します。これは完全なUSBハンドシェイクである必要はありません。たとえば、専用の充電器は、D +をD-に短絡するだけで、そのように識別します。これは、ダウンストリームデバイスが最大充電電流までシンクできることを示しています。これは1.5Aです。ここで BCD仕様を読むことができます。

新しいプロトコルはPD（Power Delivery）であり、メインUSB仕様の一部として配布されますます。PDは本当に興味深いです。これにより、データラインではなく電圧ラインを介して電力情報を交換でき、最大100W（20V / 5A）をサポートできます。ただし、高電力アプリケーションでは、ケーブルが溶融せずに高電圧/高電流をサポートできることを示すために、ケーブルを電子的にマークする必要があります。:-)仕様にはいくつかの「マーキング」が定義されていますが、それらはすべて、プラグの2つのピンの間に抵抗またはコンデンサのいずれかをドロップすることを伴うようです。

ただし、ケーブルまたは充電器が実際に仕様全体を正しく実装する可能性はかなり低いようです。Amazon.comでBenson Leungのエクスプロイトをフォローして、メーカーがこれを台無しにする方法をいくつ見つけたかを確認できます。

確かなことはわかりませんが、「PowerIQ」などのマーケティングラベルは、可能な限り多くのデバイスやケーブルとの互換性を達成しようとする充電器を示している可能性が非常に高いと思います。残念ながら、特定の充電器がその理想にどれだけ近づいているかを伝える良い方法はありません。

（古いトピックですが、最新のUSB仕様に基づく新しい情報。）

すでに述べたように、新しいUSB仕様では、デバイスが要求した場合、5Vを超える充電電圧が許可されます。

「USB Power Delivery」（PD）拡張（USB PD rev。3.0、ver 1.0a）では、最大5A、5V、9V、15V、または20Vで最大5Aを接続デバイスに提供できます。 100Wのソース。これらの場合、「要求デバイス」が従わなければならない多くのルールがあります。

これは通常、ノートブックコンピュータまたはセル数や動作電圧が高いその他のデバイス用です。これらの条件を処理するようにケーブルも設計および指定する必要があります。

（はい、私はEEです... 35年以上）

私はその言語であなたの吐き気を共有しますが、この問題の背後には真実がある可能性が高いことに同意します。USBデバイスはベンダー、製品、およびデバイスIDに基づいて宣言するため、ホストは接続されているものを認識し、それに応じて処理できます（例：適切なドライバーの検索）。さらに、私はバッテリーの専門家ではありませんが、リチウムイオンバッテリーには過熱を避けるための奇妙な充電要件があることを十分に知っています。USB製品が、他の目的に合わせて調整されたドライバーまたは製品とインターフェイスしていることを考えると、ここで説明するように、より最適な充電パターンをネゴシエートできると考えるのは不合理ではありません。

私が見たリチウムイオン充電パターンの例は、バッテリー電圧が4.0Vに達するまでの定電流と、バッテリーが4.2Vに達するまでの定電圧です。おそらく、異なるバッテリーには異なるパターンがあります（ここでも、私はバッテリーの専門家ではありません）。

[...]実際にはもっと複雑なことが起こっています。

はい。つまり、スマートポートは、標準化されていない充電メカニズムのハッキングを使用して、最適な電流を実現します。すべてのUSBデバイスが充電プロトコルをUSB仕様またはBCS拡張のみに基づいているという一般的な仮定は誤りです。

多くのUSB充電器には、BCS、別名DCP、専用充電ポートで説明されている「ダム」フローティングデータピンポートしかありません。

スマートポートは、ダムポート（DCP）のように動作するか、USB / BC仕様がサポートされていないか最適でない場合に備えて、いくつかの専用ポートをエミュレートできます。このエミュレーションは、特定のシナリオで機能しなくなり、問題を引き起こす可能性があります。そのため、スマートチャージャーの各ブランドは、信頼性、速度、および互換性の点でそれ自体を区別しようとします。それらを作成するには、リバースエンジニアリングが必要になる場合があります。

理想的には、「スマート」充電器は不要であり、すべてのデバイスが同じ充電標準を使用します。ホスト/充電器ではない場合、デバイスは次のことを認識します。

• ゆっくり充電
• まったく充電しません。
• 標準のUSB仕様（BCSではない）速度で充電します（フルパワーUSBデバイスの場合は5ユニット、低電力の場合は1ユニット、非列挙型電源のみの接続の場合は5ユニット）。通常、これは最大値よりも遅くなります。
• BCSの速度で充電すると、DCPから最大5Aを引き出すことができます。単一のポートに対して3Aを超える広告が表示されたことはありませんが。これは、独自の充電器で実行できる速度よりも遅い場合があります。

[...]デバイスがより多くの電流を引き込むことができるように、これらのスマートポートで何が起こっているのですか？[...] USBデータラインは、実際に充電パターンのネゴシエーションに使用されていますか？

ちょっと、あなたが見ている充電仕様に依存します。Appleはデータラインを使用していると思いますが、複雑なことは何も起こりません。Apple充電器であることを示すために3Vに設定されているだけです。

BCSで記述されている充電ポートはDCPだけではありません。いくつかの（いくつかの）デバイスは列挙（つまり、データピンハンドシェイクの使用）を必要とするため、充電に加えてデータ転送が可能なため、より複雑なCDP（充電ダウンストリームポート）が必要です。完全にBCSに準拠している、つまりCDPとDCPを切​​り替えることができるポートは、他のテクノロジをエミュレートしていなくても「スマート」と見なすことができると思います。

バッテリーをできるだけ早く充電するには、できるだけ多くの電流を引き込む必要があると思います。どうしてこれなの？。

正しいが、充電器が仕様を満たしている場合にのみ、そうでなければ、彼らはそれを信用していないと思う。または、競争と特許、またはバッテリー寿命を最適化するアルゴリズムに関係しているのかもしれません。どうしてかというと、どうやったら面白いのかと思う。

私もEEではありません。（また、愛好家が電子工学をよく理解しているソフトウェアエンジニアです。）

慣例では、通常のUSBデバイスには最大500 mAが流れ、それ以上は流れないということを理解しています。それ以外は、USB規格に違反しています。

「スマート」USB充電器には、シリアル通信チップを備えたソリッドステートロジックが含まれています。より高い電流が必要なデバイスを接続すると、電源にクエリが送信され、「2アンペアが必要です。大丈夫ですか？」という結果が返されます。電源がダンプUSBポートの場合、まったく応答しません。そのため、デバイスは機能しないか、デフォルトの500 mAしか消費しません（さらに充電が遅くなります）。

Samsung S5電話とNote 10.1（2014年版）があります。電圧、電流、およびmaHを測定するインラインUSBメーターがあります。これらのデバイスの1つがOEM充電器に接続されると、充電器の出力は5.5ボルトまで上昇し、充電電流は約1.6アンペアです。1アンペアの定格の安い壁wallを使用してこれを試しても、電圧は5.0のままで、0.8アンペアで充電されます。バッテリー駆動の充電器もいくつかあります。それらのほとんどは定格が2アンペア以上ですが、5.0ボルトしか供給せず、充電電流は約0.8アンペアのままです。このことから、サムスンのプロトコルは、デバイスが上記の手段のいずれかで高速充電を要求するためのものであり、充電器はその出力を5.5ボルトに上げることでそれが可能であることを通知すると結論付けます。