USB突入電流の要件を理解する


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前の質問に関連して、突入電流のUSB 2.0要件を理解しようとしています。基本的な考え方は理解していますが、いくつかの詳細はまだわかりません。仕様の状態、部分的には、その:

ケーブルの下流端に配置できる最大負荷(CRPB)は、44Ωと
並列の10μF です。10μFの容量は、機能内のVBUSラインに直接接続されたバイパスコンデンサと、デバイス内のレギュレータを介して見える容量効果を表しています。44Ωの抵抗は、接続中にデバイスによって消費される電流の1単位負荷を表します。

デバイスでより多くのバイパスキャパシタンスが必要な場合、デバイスは、上記の負荷の特性に一致するように、何らかの形のVBUSサージ電流制限を組み込む必要があります。

USB-IF は、突入電流テストの説明も提供します。

突入電流は、接続後少なくとも100ミリ秒間測定されます。取り付けは、プラグのVBusとグランドピンがレセプタクルと嵌合する瞬間に定義されます。
100 msの間隔中に100 mAを超える電流は、突入電流イベントの一部と見なされます。突入電流は領域に分割されます。領域とは、少なくとも100 µsの間、電流が100 mAを下回るまで電流が100 mAを超える間隔です。100ミリ秒の期間中に複数の突入領域が存在する可能性があります。合格/不合格は、最も高い電荷を持つ地域によって決まります。

これは明確ですが、最小の測定時間を示しているだけであり、突入領域にどのアルゴリズムが適用されて合格/不合格の判断が下されるかはわかりません。私が考えるアイデアは、電流が100ミリアンペアを超える地域の間に、電流は、このウィンドウの間に転送された全電荷を取得するために統合されているということです、そして全電荷はあなたが10μFの// 44になるだろうものよりも大きくてはいけませんΩ負荷。ある情報源によると、これは5V * 10 µF = 50 µCです。それは私の理解が少し不安定になるところです。

理解しやすくするために、次の回路を分析しました。

回路

[R1の抵抗値は、任意の仕様の一部ではありませんが、私はそれが数学を行う必要がある、と私は、必要に応じて、それがゼロに手放すことができます。]で、現在の開始とする指数関数的に減衰V 1 /R 1 + R 2時定数1 / R 1 + 1 / R 2 - 1 C 1V1/R1V1/R1+R21/R1+1/R21C1

時間転送された総電荷はt

Qt=V1R1+R2t+V1R22CR1+R22{1exptC11R1+1R2}

がゼロになる限界では、これは単純化されますR1

Qt=V1R2t+V1C

私が理解していない部分の1つは、USBバスからの5ボルトと規定の44Ω負荷で、常に5V / 44Ω= 114 mAの電流があり、引用されたUSBで説明されている100 mAの制限を超えることです-IFテスト、および低電力USB機能に許容される最大1ユニット(100 mA)を超える負荷(USB 2.0仕様セクション7.2.1)。R1 = 0の制限の場合、この電流はR2 * C1 = 440 µsでコンデンサ(つまり50 µC)と同じだけの電荷を引き込みます。

したがって、まだ読んでいる場合の質問は、正確には、「上記の負荷の特性に[一致]」(つまり、10 µFと並列の44Ω)、および説明されたUSB-IF突入の意味です。電流テストは、どれだけの電流が多すぎるかを決定しますか?

ありがとう。


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USBが5Vを与えることはほとんどありません。一般に、VBusから約4.5Vを与えます。ガイドラインはややペシズム的であり、ワイヤから4.4Vを想定しているため、44オーム= 1単位負荷です。
ajs410

@ ajs410:5.0 Vに近いUSBホストを見たことはありません。ただし、仕様では4.4〜5.25 Vの範囲で変化する可能性があるため、デバイスはその範囲の電圧で動作する必要があります。
エンドリス

あなたはそれが仕様からの電圧で動作しなければならないことは正しいです、それはあなたが通常4.5Vを得るのは複数のPCとパワードハブでさえ私の経験です。少なくともハブは5Vをワイヤに通すと思っていたので、私は非常に驚きましたが、実際にはハブはPCよりも低い電圧でした。
ajs410

@endolith 4.4Vは、非給電ハブがそのポートで許容できる電圧を示しています。非給電周辺機器を設計するために必要な真の最小値は4.35Vです。USBホストの最小電圧は4.75Vです。バス駆動のペリフェラルはホストポートに直接接続されないことが多いため、USBホストで測定する電圧がこの説明に関係することはありません。
メタコリン

回答:


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答えは:誰も知らない。

まあ、誰かが知っているが、突入パスが/テストに失敗専有情報とみなされ、彼らが知っている理由のため、USB-IFによってどのようにその決意が行われ、公開されていません。私はそれがあまり満足のいく答えではないことを知っていますが、それは単純な真実です。

電気コンプライアンステストページを引用するには(テキストは赤であるため、通常のレベルのUSB-IFの深刻度よりも深刻であることがわかります):

注:次の承認済みテストソリューションの一部は、独自のソフトウェアを使用して信号品質を評価し、電流イベントを突入させます。信号品質と突入電流を認証するための唯一の公式分析ツールは、USB-IFによって公開されたUSBET20です。測定の公式評価のために、USBETを介してキャプチャされた信号品質と突入電流テストデータを必ず実行してください。

彼らは明示的に(私は高価な十分なオシロスコープを使用してはいけないので、私は、これを見たことがない)あなただけでは波形取込を使用して決意をしたり、いくつかのオシロスコープ『USB突入テスト』機能ではありませんことを言っているそうではない有効な唯一の方法へUSBSET20がデバイスがコンプライアンスを満たしていると言った場合、突入電流コンプライアンスを満たします。.tsv / .csv波形キャプチャデータを取り込み、USBコンプライアンスの正義を(html形式で)引き出します。

USBツールのダウンロードページから:

USBET20(8MB、2016年8月)は、USBコンプライアンステスト用のスタンドアロンの電気信号解析ツールです。USBET20は、オシロスコープからキャプチャした信号品質と突入電流データの合否評価を実行する公式のコンプライアンス電気解析ツールです。

さらに詳しく説明すると、知っておく必要があるのは最小測定時間だけです。実際の合否判定がどのように行われるかを知る必要はなく、実際、彼らはそれを伝えていません。USB-IFは、あなたがコンプライアンスを守っているかどうかを喜んで伝えますが、実際に(少なくとも突入電流について)どうやってそれを決定するかをだれにも教えません。

その最大ダウンストリーム負荷は、アップストリームデバイス(ホストポートまたはハブ)に関連する仕様です。つまり、周辺機器ではなくそれらの1つを設計する場合、そのハブまたはポートは44Ω抵抗器の最大ダウンストリーム負荷と10µFのコンデンサを並列に。そして、あなたは絶対に正しいです-これは、最も極端な条件下で100mAの制限を超えて25mAを消費する可能性があります。そのため、アップストリームデバイスは、接続されているそのような負荷(「ハンドル」は330mVを超えるドループの影響を受けないこと)を処理できる必要があります。

ただし、周辺機器がこのような負荷の場合、可能な電圧範囲の一部(本質的にすべて)で100mAを超える電流が流れるため、コンプライアンスに合格しません。この負荷は、アップストリームデバイスの最悪の設計シナリオとして完全に意図されており、それらをテストするために使用されます。周辺機器の突入電流コンプライアンステストには関係ありません。

関連しているのは、それは実際には現在のものではないということです。それは充電についてですので、あなたはすでにこれで正しい道を進んでいます。具体的には、電圧の低下についてです。ハブのアップストリームポートには、出力VBUSに120µF以上の非常に低いESR容量が必要で、バスがダウンストリーム周辺機器に電力を供給します。

最悪の場合の出力電圧(4.75V)を生成するホストまたはパワードハブは、最もクラッピーなコネクタ、クラッピーなケーブルを経由して、最もクラッピーなコネクターも使用する電力が供給されていないハブに進み、そのハブはさらにVBUS出力への最も低いVBUS入力電圧を持ちます/下流の電圧降下(350mV)、電圧は4.4Vになります。安っぽいコネクタを介して安っぽい周辺機器に接続された4.4Vは、低電力デバイスの実際の絶対最小電圧4.35Vを確認することができます。USB 2.0仕様の175ページから:

ここに画像の説明を入力してください

数学をやってみましょう。電力が供給されていないアップストリームハブには、120µFのダウンストリーム容量が必要です。4.4V * 120µFでは、528µCの充電になります。接続されたデバイスには10µFのコンデンサがあります。静的な負荷や電力がなく、ポートに充電済みのコンデンサがあり、周辺機器に1つの10µFの充電されていないふりをすると、もう一方がいっぱいになるまで充電されません。電荷は節約されるため、528µCの開始電荷が与えられた場合、2つのコンデンサの電圧が互いに等しくなるポイントは約4.06Vです。または、40.6µCが転送されました。コネクタの抵抗を追加すると、ダウンストリームコンデンサは突入時にそれほど多くの電荷を引き出すことさえできなくなります。

したがって、文字通り唯一の重要な要素は、10µFを超えないことです。電流は本当に重要なものではありません。ケーブルのインダクタンスなどが実際のホスト電力が追いつくまでの時間の前に、ハブのダウンストリームポートの容量を使い果たすと、過渡中に330mV以上低下することなく消耗します。そして、10µFのコンデンサは、これを実現できない最も近い利用可能な値です。

また、容量制限がないことに注意してください。10µFのセクションに分割し、接続時に接続するのはそのうちの1つだけであれば、ダウンストリームデバイスに1Fのすべてのセラミックキャパシタンスを設定できます。デバイスが接続されたら、10µFのステップより下に留まらなければなりませんが、10µFの増分でより多くの容量を徐々に「オンライン」にすることができます。全体のポイントは、その過渡現象を回避することです。

はい、これは、低電力の周辺機器が4.35Vまで動作することになっているだけでなく、ハブに新しいものが接続されたときなど、330mVの電圧降下過渡にも耐えることを意味します。これは、理論的には、ほぼ同時になるようにちょうど2つのデバイスを適切なタイミングで接続すると、電源が入っていないハブ上の他のデバイスの動作を中断する可能性があることも意味します。HPETを備えたロボットは、USBバス仕様のこの重大な欠陥を悪用して、私たちの没落をもたらすと確信しています。

現在、おそらくdI / dTレートなど、他の微妙な側面があります。合格/不合格テストに組み込まれているものを正確に知っているのは誰ですか。そのテストを実行するプログラム用に7.5MBのインストーラー全体を持っていることを考えると、おそらく簡単ではないと想定しても安全です。しかし、あなたはあなた自身の下流の静電容量で上流のコンデンサの貯蔵所を使い果たすことを避けようとしていることを心に留めておいてください、そしてそれは本当にそれだけです。周辺機器が潜在的に引き起こす可能性のある過渡電圧のために他のデバイスを故障させない限り、大丈夫です。そして実際には、接続時またはその他の電力状態の変化時に見られる静電容量を10µ​​Fに維持するだけです。実際には、それよりも小さくすることをお勧めします。10µFが最大です。しない 絶対最大値は「標準的な」静電容量であるという考えがどこから始まったかはわかりませんが、優秀なエンジニアは最大定格に行くよりもよく知っています。常に過小評価します。素晴らしい4.7µFコンデンサが好きです。さらにデカップリングが必要な場合は、VBUSに直接接続せずに100mAのサージ電流に制限するだけでよいのです。ただし、100mAをはるかに超えて許可されています-地域内で転送されるのは40.6µCの電荷だけです。

突入電流を心配しないでください。突入電流テストは、実際には突入電流に関するものではありません。


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突入テストは、USB-IFコンプライアンスアップデート、http: //compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile = Electrical&Format = Standard#45で指定されています

突入電流は、接続後少なくとも100ミリ秒間測定されます。取り付けは、プラグのVBusとグランドピンがレセプタクルと嵌合する瞬間に定義されます。100 ms間隔中に100 mAを超える電流は、突入電流イベントの一部と見なされます。突入電流は領域に分割されます。領域とは、少なくとも100 µsの間、電流が100 mAを下回るまで電流が100 mAを超える間隔です。100ミリ秒の期間中に複数の突入領域が存在する可能性があります。合格/不合格は、最も高い電荷を持つ地域によって決まります。

合格/不合格は50 uCまたは5V x 10uFです(@metacolinはドループを考慮しましたが、USBは考慮しません)。

突入電流を概算して、電流のスコープキャプチャを調べ、各領域の100 mAを超える面積(i * dt)を計算し、接続後100ミリ秒にわたって最悪の場合の領域を確認できます。

USBETは、.csvデータに基づいて計算を行います。

実際のピーク電流自体は関係ありません。


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これは、USBハブまたはホストアダプターの仕様です。ブラックボックスモデルはサージテストの典型的な負荷を表していますが、仕様では周辺機器に1uFの最小キャップしか必要とせず、10uFは標準値の負荷と見なされます。コンデンサには、ESRが10mΩのあらゆる種類のものがあるため、サージは、キャップのESRと1または1.5mケーブルの抵抗によって制限されます。ケーブルとコネクタを無視または0Ωにした場合、理論上は500Aのサージ= 5V /0.01ΩESRになる可能性があります。

実際には、はるかに少なくなりますが、重要なことは、ホストは、キャップのESRに関係なく、低電圧状態を防止できる必要があるということです。

それをどのように行うかは、デザイナー次第です。

あなたの質問...

説明されているUSB-IF突入電流テストは、どのくらいの電流が多すぎるかをどのように判断しますか?

回答:ホストの電圧が電圧の仕様内に留まり、他のポートがホットプラグインの突入電流サージから仕様外の状態を認識しないようにします。それがこのテストの目的です。

さらに、テストでブラックボックステストで100mAを超えるサージが見られない場合、最低1uFの負荷でホットインサートされたデバイスの検出に失敗する可能性があります。したがって、予想される最小サージと最大ピークはありませんが、最大持続時間はあります。


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これは、ホストではなく周辺機器の仕様です。ペリフェラルのコンプライアンスチェックリストには、「10µF未満のコンデンサを使用するか、デバイスが高温のときに100mAを超える電流で10µFを超えない容量で充電されるようにソフトスタート回路を使用することにより、突入電流を制限しますか?差し込まれた?」
エンドリス14
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