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Sep 22, 2023

Alles über USB

USB-C macht die proprietären Ladegeräte mit Hohlstecker überflüssig, die wir bisher verwendet haben

USB-C macht proprietäre Hohlstecker-Ladegeräte überflüssig, die wir für Laptops und unzählige andere Geräte verwendet haben. Es bekämpft proprietäre Standards für Telefonladegeräte, indem es diese explizit als nicht konform einstuft und Unternehmen dazu drängt, ihre Geräte mit weit verbreiteten Ladegeräten kompatibel zu machen. Als Bastler müssen Sie nicht mehr 3 A durch winzige MicroUSB-Anschlüsse und unterdimensionierte Kabel leiten, um einen stromhungrigen Pi 4 mit Strom zu versorgen. Heute benötigen Sie lediglich eine USB-C-Buchse mit zwei Widerständen – oder gegebenenfalls einen etwas speziellen Chip Die Widerstände bringen Sie nicht ganz dorthin, wo Sie sein möchten.

Mit USB-C bekommen Sie viel mehr für Ihr Geld. Dies gilt auch für die Macht; Schließlich werden nicht alle Geräte mit 15 W auskommen – manche wollen mehr. Wenn 15 W für Ihr Gerät nicht ausreichen, schauen wir uns an, wie wir Ihnen darüber hinaushelfen können.

USB-C-Netzteile unterstützen immer 5 V und einige sind darauf beschränkt, aber die Unterstützung höherer Spannungen ist durchaus möglich. Die üblichen Spannungsstufen von USB-C sind 5 V, 9 V, 15 V und 20 V; Die 12-V-Unterstützung ist optional und eher eine Konvention. Diese Stufen werden als SPR bezeichnet, und EPR fügt der Mischung 28-V-, 36-V- und 48-V-Stufen hinzu – für bis zu 240 W; Dies erfordert neue Kabel, ist aber vollständig abwärts- und aufwärtskompatibel und aufgrund der Kabel- und Geräteprüfungen, die Sie mit USB-C durchführen können, absolut sicher in der Verwendung.

Ein Ladegerät muss alle Stufen unterhalb seiner höchsten Stufe unterstützen, was bedeutet, dass 20-V-fähige Ladegeräte auch 5 V, 9 V und 15 V unterstützen müssen – in der Praxis tun dies die meisten tatsächlich, und nur einige überspringen möglicherweise ein oder zwei Schritte. Mit einem PD-Standard namens PPS (oder dem AVS-Standard für Ladegeräte der EPR-Reihe) können Sie auch Spannungen dazwischen bis hinunter zu 3,3 V erreichen – das ist keine Voraussetzung, aber Sie werden feststellen, dass etliche USB- C-Netzteile erfüllen diese Anforderungen und die PPS-Unterstützung steht normalerweise auf dem Etikett.

Mit nur Widerständen kommt man jedoch nicht über 5 V hinaus – Sie benötigen digitale Kommunikation über die CC-Leitung unter Verwendung eines Protokolls namens USB PD (Power Delivery), das es einem Gerät und einem Netzteil ermöglicht, den Strombedarf auf praktische Weise auszuhandeln. Es handelt sich um ein bidirektionales Protokoll mit konstanter Baudrate, es gibt CRC-Prüfungen und Reaktionszeitanforderungen und es wird praktisch für alles USB-C verwendet – sogar für Hochgeschwindigkeitsprotokollverhandlungen. Am wichtigsten ist, dass USB-C PD immens leistungsstark ist.

Über USB-C ist eine unglaubliche Menge an Kommunikation möglich, sodass wir Geräte intelligenter als je zuvor bauen können. Das Design ist durchdacht – die Kommunikation ist aufwärts- und abwärtskompatibel, wobei neue 140-W-EPR-Ladegeräte problemlos alte 60-W-Geräte mit 60-W-Raten laden können und 60-W-Ladegeräte weiterhin zum langsameren Laden von 140-W-Geräten verwendet werden können. Die USB-PD-Fähigkeiten gehen weit über „Gib mir diese durch diesen Strom begrenzte Spannung“ hinaus – Geräte können gegenseitig ihre Energierollenpräferenzen und Ladezustände abfragen, Energierollen im Handumdrehen tauschen, bestimmen, wozu ein Kabel fähig ist, und vieles mehr das mit Blick auf die Sicherheit.

Wenn Sie die Komplexität noch nicht zu schätzen wissen, möchte ich Sie durch ein komplexes Szenario führen, das durch USB-C vereinfacht wird. Stellen Sie sich ein USB-C-Dock mit einem USB3-Anschluss, einem HDMI-Anschluss und einem USB-C-Ladeeingang vor. Wenn Sie eine solche Dockingstation an Ihren Laptop anschließen, ohne ein Ladegerät anzuschließen, versorgt der Laptop diese Dockingstation mit 5 V, begrenzt auf entweder 1,5 A oder 3 A, je nach Laptop. Das allein ist sehr nützlich, wenn Sie unterwegs HDMI oder einen zusätzlichen USB3-Anschluss benötigen, und einige dieser Docks verfügen auch über Ethernet – darauf kann man kaum verzichten. Alles in allem fungiert das Dock als Stromsenke und der Laptop als Stromquelle. Die Situation wird jedoch auf den Kopf gestellt, wenn Sie ein hochspannungsfähiges Ladegerät an den Ladegerät-Eingangsanschluss dieser Dockingstation anschließen.

Der IC im Dock erkennt das Ladegerät und fungiert als Vermittler, indem er PD mit dem Laptop und dem Ladegerät kommuniziert und so den Strombedarf und die Leistungsfähigkeit des jeweils anderen ermittelt. Angenommen, der Laptop ist an den 20 V und 3 A interessiert, die das Ladegerät liefern kann. Der Zwischen-IC teilt dem Laptop mit, dass er die 5-V-Versorgung beenden und sich stattdessen auf das Laden mit einer höheren Spannung vorbereiten soll. Sobald der Laptop zustimmt, weist er das Ladegerät an, die Spannung hochzufahren. Innerhalb einer Sekunde hat sich das System komplett verändert – statt mit 5 V vom Laptop zu laufen, leitet die Dockingstation jetzt 20 V vom Ladegerät über sich selbst an den Laptop weiter und bezieht Strom für ihren eigenen Bedarf aus denselben 20 V.

Dieser Stromrollentausch ist so konzipiert, dass er innerhalb eines kurzen Zeitrahmens abgeschlossen werden kann – bei Ihren USB3- und HDMI-Geräten kommt es nicht zu Stromausfällen und die Hochgeschwindigkeitskommunikation wird nicht unterbrochen, wenn der Stromrollentausch stattfindet. 20 V gelangen auch nicht an die 5 Nur-V-Pins – das Dock verfügt über eine Leistungsregelung und ein Gate im Inneren, um dies zu verhindern. Das Dock funktioniert auch, wenn Ihr Laptop oder Telefon die Videoausgabe über USB-C nicht unterstützt. In diesem Fall funktioniert alles außer dem HDMI-Anschluss wie vorgesehen, und wenn der Laptop das Laden über USB-C nicht unterstützt Gebührenverhandlungen werden auf sichere Weise scheitern.

Der Dock-IC kennt das Strombudget für seine eigenen USB3- und HDMI-Anschlüsse und subtrahiert es vom Strombudget des Ladegeräts, bevor es es an den Laptop weitergibt, wobei der Laptop genau weiß, wie viel Strom er verbrauchen kann, und sich daran halten kann um alles mit Strom zu versorgen, das Ladegerät bei Laune zu halten und es nicht zu überlasten. Wenn die verwendete Ausrüstung den USB-C-Standards entspricht, muss der Benutzer keine Vorsichtsmaßnahmen treffen – alles ist sicher.

Das Beste ist, dass Sie ein solches Dock für nur 10 US-Dollar online kaufen können. All diese Funktionen sind kein Zufall oder Hack – USB-C ist für all dies und noch viel mehr konzipiert. Als Benutzer müssen Sie nicht länger einen Laptop der Business-Klasse kaufen, um eine voll ausgestattete Einkabel-Dockingstation zu erhalten – viele Laptops und Telefone der Verbraucherklasse mit USB-C-Daten- und Ladeanschlüssen können alle oben aufgeführten Aufgaben bewältigen, ohne ins Schwitzen zu geraten.

Wenn Sie sich gerne über die Fortschritte der Verbraucher- und Hacker-Technologie informieren, werden Sie USB-C fest im Bereich der futuristischen Technologie finden, sobald Sie es kennenlernen. Sie verdienen es auch zu wissen, wie das alles funktioniert – lassen Sie uns die Grundlagen der Energiekommunikation mit PD durchgehen.

Angenommen, Sie schließen ein Ladegerät an einen Laptop an. Das Ladegerät stellt einen Pull-Up-Zugriff auf die CC-Leitung bereit, der Laptop erkennt dies, und wenn Ihr Laptop USB-C-ladefähig ist, leitet er einen Pull-Down auf die CC-Leitung ab. Das Ladegerät liefert dann 5 V und ist bereit, PD für alles, was darüber hinausgeht, zu sprechen. Wie Sie sehen, müssen Sie, bevor höhere Spannungen möglich sind, zunächst den Weg von 5 V und analoger Kommunikation gehen. Stecken Sie Ihre 5,1-kΩ-Widerstände auf die CC-Pins, erhalten Sie 5 V und überreden Sie das Netzteil, Ihnen von dort aus eine höhere Spannung zu liefern.

Die Widerstände bleiben während der Kommunikation verbunden – tatsächlich muss die Kombination aus Pullup- und Pulldown-Widerstand ständig vorhanden sein, damit das Ladegerät auch bei Spannungen weit über 5 V weiterhin Strom liefern kann. Damit das Netzteil dies kann, wird die CC-Netzspannung verwendet Stellen Sie schnell fest, wann ein Gerät vom Stromnetz getrennt wurde und umgekehrt – dies hilft bei Sicherheitsfunktionen wie der Reduzierung von Kontaktlichtbögen bei höheren Spannungen beim Abziehen des Kabels und stellt sicher, dass das Ladegerät seinen Hochspannungsmodus verlässt, damit dies nicht der Fall ist Zerstören Sie das nächste angeschlossene Gerät – was früher bei einigen sehr frühen USB-C-Ladegeräten ein Fehlermodus war.

Dadurch wird die digitale Signalisierung der CC-Netzspannung überlagert. Man könnte sagen, dass PD ein halbdigitales Protokoll ist. Diese PD-Anforderung sowie Anforderungen wie die Anwendung von VCONN auf derzeit nicht verwendete Pins zur Prüfung von Hochgeschwindigkeits- oder >3-A-Kabeln machen es schwierig, die CC-Pins einfach mit einem UART-Peripheriegerät oder ähnlichem zu verdrahten. Es gibt jedoch Mikrocontroller mit PD-Peripheriegeräten, sowohl westlicher als auch östlicher Bauart, und es gibt PD-sprechende Chips, die Sie über I2C anschließen können, wenn Ihr Mikrocontroller keinen hat.

Die Fähigkeit, PD zu sprechen, ist entscheidend dafür, dass USB-C für Hacker zugänglich ist. Sie müssen sich jedoch nicht mit dem PD-Jargon auskennen, wenn Sie nur Hochspannung aus einem USB-C-Anschluss benötigen.

Sie können einen freundlichen IC kaufen, der PD für Sie spricht. Sie haben vielleicht schon von „PD-Trigger-Boards“ gehört – einer kleinen Platine mit einer USB-C-Buchse, zwei Pins für den Spannungsausgang, einigen Lötbrücken, wenn Sie Glück haben, und einem IC mit gerade genug PD-Vokabular, um ein Netzteil zu überzeugen Es sollte uns 20 V oder 9 V liefern. Wir haben gesehen, dass Hacker PD-Trigger-Boards und -Chips verwendet haben, um alte Laptops und leistungsstärkere Geräte so umzuwandeln, dass sie Strom über USB-C-Netzteile beziehen, und zwar in Situationen, in denen der Hersteller dies absolut nicht getan hat Ich beabsichtige, dass das geschieht.

Es gibt eine Reihe von Trigger-ICs. Wir haben gesehen, wie Hacker IP2721 erfolgreich eingesetzt haben und kürzlich ICs wie den CH224K erforscht haben. Die meisten von uns kaufen jedoch einfach eine kleine Leiterplatte, auf der alles angelötet ist, und machen sich keine Sorgen über die spezifischen ICs; Allerdings sollten Sie ein paar Vorschläge haben, wann immer Sie ein Gerät mit einem USB-C-Anschluss entwickeln möchten, der hohe Spannungsanforderungen stellt, was mit überraschenden Nichtvorräten und Ähnlichem zu tun hat.

PD-Trigger-Boards sind nicht für alles perfekt. Angenommen, Sie möchten eine ohmsche Last von 8 Ω über USB-C mit Strom versorgen – nehmen wir als Beispiel einen PD-fähigen Lötkolben. Die Spitze benötigt 2,5 A bei 20 V und 1,9 A bei 15 V. Ein 60-W-Ladegerät kann 3 A bei 20 V liefern und versorgt Ihre Last problemlos mit Strom, sodass Sie Ihre Triggerplatine mit einer Lötbrücke sicher auf 20 V einstellen können. Allerdings kann ein 45-W-Ladegerät bei 20 V nur 2,25 A liefern, und eine 8-Ohm-Last versetzt es in den Überstromschutzmodus – Sie müssen 15 V verwenden, obwohl der 20-V-Modus verfügbar ist. Trigger-Board-ICs sind nicht auf eine solche Logik ausgelegt – daher gibt es Projekte wie den PD Buddy Sink, bei dem ein PD-sprechender Chip mit einer MCU kombiniert wird, die komplexere Logik verarbeiten kann.

Tatsächlich liefern Trigger-Boards in der Regel keine Informationen zur Strombegrenzung – wenn die Gefahr eines Überstroms besteht, weil das Ladegerät bei der von der Trigger-Board geforderten Spannung keine 3 A liefern kann, müssen Sie nur sicherstellen, dass Sie das Ladegerät verwenden Verwendung von Überstromschutzgeräten; Diese werden von USB-C vorgeschrieben und von den meisten ausgeführt, Sie möchten jedoch auch nicht, dass Ihr Gerät alle paar Sekunden aus- und wieder einschaltet. Wenn Sie außerdem einen Dual-Role-Port wünschen, der mit OTG-Adaptern funktioniert oder vielleicht Hochgeschwindigkeitsspuren unterstützt, wird Ihnen ein Trigger-IC nicht weiterhelfen, und Sie können nicht einfach mehrere PD-ICs anschließen, die unterschiedliche Funktionen anfordern parallel zu Ihren CC-Pins. Wir können versuchen, diese Einschränkungen in späteren Artikeln zu überwinden – vorerst wissen Sie, dass Trigger-Boards ihren klar definierten Platz in Ihrem USB-C-Arsenal haben und Ihnen bei Ihren USB-C-Projekten helfen werden, soweit es um höhere Spannungen geht.

Was wäre, wenn Sie ein 20-V-Hohlstecker-Netzteil hätten, das Sie in ein USB-C-Ladegerät umwandeln möchten? Schließlich stimmen die Spannungen überein. Die Sache ist nicht so einfach – Sie können nicht einfach 20 V in einen USB-C-Anschluss stecken und erwarten, dass Ihr Laptop aufgeladen wird. Tatsächlich könnte Ihr Laptop kaputt gehen, wenn Sie das tun – es ist nicht garantiert, dass kein magischer Rauch freigesetzt wird; Einige Laptops verfügen über einen Schutz dagegen, aber ich habe beobachtet, dass diese Anordnung magische Rauchemissionen verursacht, und ich möchte lieber nicht, dass Ihnen das auch passiert. Sie wollen es richtig machen, und dafür müssen Sie zuerst den PD-Aushandlungssong durchgehen und dabei die zugeführte Spannung auf 5 V begrenzen.

Es gibt online Adapter, die scheinbar zumindest die 5-V- und PD-Teile für Sie erledigen – ohne die Zwischenschritte, aber hey, Sie können sie getrost weglassen, wenn Sie wissen, dass 20 V das sind, was Ihr Gerät benötigt. Sie müssen außerdem sicherstellen, dass Ihre 20 V innerhalb eines angemessenen Bereichs liegen. Manchmal prüft der Adapter das für Sie, und manchmal macht es dem Gerät nichts aus. Es gibt auch eine ganze Reihe von USB-C-Netzteildesigns mit Gleichstromeingang, die über eine integrierte aktive Umwandlung verfügen – sodass Ihre 12-V-, 19-V- und 24-V-Netzteile gut mit USB-C-Geräten genutzt werden können.

Es gibt Einschränkungen bei der USB-C-Stromversorgung. Einer davon verbindet zwei Doppelfunktionsanschlüsse miteinander – beispielsweise einen Laptop und eine Powerbank. Beide können entweder Strom liefern oder zum Laden verwenden, und mit USB-C nutzen sie für beide Funktionen denselben Anschluss. Wenn Sie also Ihren schicken Laptop über Ihre schicke Powerbank aufladen möchten, werden Sie möglicherweise überrascht sein, dass Ihr Laptop stattdessen die Powerbank auflädt – und das Gleiche kann passieren, wenn Sie Ihr Telefon an Ihren Laptop anschließen. Es passiert nicht oft und es scheint, dass es einigen Herstellern von Powerbanks gelingt, eine solche Regelung zu vermeiden; Andere Produkte schneiden jedoch möglicherweise nicht so gut ab.

Es gibt Bestimmungen für den Austausch von Informationen zum Batteriestand in USB-C, aber ich vermute, dass sie nicht von allen genutzt oder implementiert werden. Bei einigen Geräten, die den Benutzern die Steuerung der USB-C-Ebene zur Verfügung stellen, wird ein Menü angezeigt, in dem Sie dies überprüfen können – zum Teil ist dies bei modernen Telefonen und Chromebooks der Fall. Powerbanks mit ihrer Ein-Knopf-Bedienung, wenn sie überhaupt einen Knopf haben, könnten das möglicherweise nicht tun, und viele Laptops sind auch nicht in der Lage, etwas zu fragen, also müssen wir einfach abwarten, ob die Hersteller irgendwann eine Lösung zur Standardisierung finden auf.

Mit USB-C können Sie auch digitale Signaturen zur Überprüfung der Gerätegültigkeit implementieren. Wenn man zwischen den Zeilen lesen kann, riecht es nach DRM, und das ist es auch. Einige Gerätehersteller, insbesondere aus der dunklen Triade HP/Dell/Lenovo, werden DRM implementieren, das die CPU ihres Laptops drosselt, wenn das Ladegerät oder das Kabel von einem Drittanbieter stammt – selbst wenn es immerhin 100 W hat. Das macht irgendwie Sinn wenn Dell dies in Fällen tut, in denen 6 A durch eine nachweislich funktionsfähige Kombination aus Ladegerät, Kabel und Laptop geleitet werden. Aber seien wir ehrlich: Die gewissenhafte Entscheidung wäre stattdessen EPR und 140 W gewesen, und Throttling ist in beiden Fällen unentschuldbar.

Apropos Laptops: Wenn Sie jemals versuchen, einen Laptop zu finden, dessen USB-C-Anschluss mehr als 5 V liefert, wünsche ich Ihnen viel Glück. Soweit mir bekannt ist, gibt es solche Laptops nicht, und Sie benötigen ein Ladegerät und eine Powerbank.

Es gibt kaum technische Gründe dafür, dass ein Schaltnetzteil fest auf eine bestimmte Spannung verdrahtet sein muss, und USB-C unterbricht diese Ketten. Jetzt können Sie 9 V oder 20 V bei 3 A über ein Tankstellenladegerät und eine kleine günstige Platine beziehen und sogar Li-Ion-Akkus über ein PPS-Ladegerät laden. Die USB-C-Funktionen bieten ein Potenzial, das wir erst jetzt auszuschöpfen beginnen. Im Laufe der Zeit werden proprietäre Stecker- und verrückte Spannungsladegeräte um uns herum völlig aussterben, und wir werden sie vergessen, genauso wie wir nach der Übernahme von MicroUSB alle Standards für Mobiltelefon-Datenübertragungskabel vergessen haben. Wie viele proprietäre Datenkabelanschlüsse hat Samsung allein geschaffen?