USB-PD - USB napájanie
USB-PD je špecifikácia pre rýchle nabíjanie elektronických zariadení prostredníctvom prúdových vedení USB. USB-PD je nezávislý od skutočného štandardu USB. Za tým stojí myšlienka univerzálneho napájacieho zdroja, ktorý je vhodný pre smartphony, tablety a notebooky.
V prípade smartfónov a tabletov je nabíjanie pomocou zdroja napájania cez USB bežné, aj keď to môže v prípade tabletov trvať trochu dlhšie. U notebookov nie je nabíjanie cez USB prakticky možné. Vďaka USB Power Delivery je možné notebooky aspoň teoreticky nabíjať aj prostredníctvom USB.
Prehľad: Napájanie cez USB
USB dodáva napájanie jednoduchých zariadení, ako sú myš, klávesnica a plochý skener, cez káblové pripojenie. V závislosti od normy sa výkon pohybuje od 500 mW, 2,5 do 4,5 a 7,5 wattu. Bohužiaľ je to zvyčajne príliš málo na to, aby ste USB zariadenia zásobili dostatočným výkonom. Preto je veľa portov USB prevádzkovaných mimo povolených hodnôt výkonu.
Za účelom riešenia problémov, ktoré vznikajú pri napájaní, bola vydaná špecifikácia napájania cez USB s USB Power Delivery (USB-PD). Cez USB-C konektor môžete napájať zariadenie s výkonom až 100 wattov. Napríklad na nabitie notebooku.
Prehľad: napätie, prúd a výkon
| 5 voltov | 0,1 A | 0,5 W |
| 5 voltov | 0,5 A | 2,5 W. |
| 5 voltov | 0,9 A | 4,5 W |
| 5 voltov | 1,5 A | 7,5 W |
| 5 voltov | 3 A | 15 W |
| 5 až 20 voltov | 5 A | 100 W |
Topológia USB PD
Aby bolo možné smartphone nabíjať v notebooku, a nie naopak, existuje definovaný smer toku, ktorý funguje bez ohľadu na operačný systém a prevádzkový stav. Týmto spôsobom je možné nabíjať aj vypnuté zariadenia.
Za týmto účelom poskytuje USB-PD dodávateľov elektriny (poskytovateľov), spotrebiteľov (spotrebiteľov) a kombinované zariadenia. Môžu byť voľne distribuované v strome USB. Smer toku nabíjania a maximálny výkon profilu sa dohodnú individuálne pre každé káblové pripojenie.
Aby táto štruktúra fungovala aj so staršími zariadeniami, sú USB-A zásuvky prvými poskytovateľmi a USB-B zásuvky sú spotrebiteľmi. Ak proti nemu nič nehovorí, smer toku nabíjania sa zmení automaticky.
Ako funguje USB-PD?
Napájacia jednotka a koncové zariadenie vyjednávajú kombináciu napätia a prúdu, a tým aj výkon (profil). Napájací zdroj ponúka na tento účel dostupné kombinácie a koncové zariadenie z nich vyberie vhodný profil. USB-PD zohľadňuje smer nabíjania pripojených zariadení.
Pomocou USB kábla typu USB-C príslušné zariadenia sprostredkujú nabíjacie napätie a nabíjací prúd cez riadiaci kanál (CC) konektora USB-C.
Pomocou kábla USB-C s USB-PD je v konektore čip, ktorý je označený vhodnými nabíjacími profilmi. Berú sa do úvahy elektrické vlastnosti kábla.
Ak sa zapojený kábel nezúčastňuje vyjednávania profilov, pretože ide iba o jednoduchý kábel, potom sa cez tento kábel neprenesú viac ako 3 ampéry. Krátke a hrubé čiary naznačujú použiteľné nabíjacie káble.
Profily USB PD
| 5 V | 2 A | 10 W | Štandardný profil pre uvedenie do prevádzky, malé mobilné zariadenia, koncové zariadenia, smartphony, mobilné telefóny atď. |
| 5 V | 2 A | 18 W. | Tablety, malé notebooky, budúce koncové zariadenia |
| 12 V | 1,5 A | ||
| 5 V | 2 A | 36 W. | Malé notebooky, väčšie zariadenia |
| 12 V | 3 A | ||
| 5 V | 2 A | 60 W | Veľké notebooky, rozbočovače, dokovacie stanice |
| 12 V | 3 A | ||
| 20 V | 3 A | ||
| 5 V | 2 A | 100 W | Pracovné stanice, rozbočovače, dokovacie stanice |
| 12 V | 5 A | ||
| 20 V | 5 A |
Špecifikácia poskytuje päť profilov na rôzne účely. Profil 1 zodpovedá dnešným 10-watovým napájacím zdrojom (5 V s maximom 2 A) a je jediným profilom, ktorý je možné implementovať pomocou bežných káblov USB. Vyššie profily vyžadujú špeciálne káble, ktoré sú určené pre vyššie napätie a prúdy.
Okrem štandardného napätia 5 V ponúkajú profily 2 a 3 tiež 12 V s maximom 3 A, profily 4 a 5 tiež 20 V s maximom 5 A (100 W).
Poznámka: Cez konektory micro-USB prechádzajú maximálne 3 zosilňovače (pri 5 voltoch). Cez konektory normálnej veľkosti (zástrčky A a B) 5 ampérov (pri 5 voltoch). Pre vysoký výkon vyžaduje USB-PD pripojenie USB-C na oboch koncoch kábla.
PPS - programovateľný zdroj napájania (USB-PD verzia 3.0)
Z dôvodu skrátenia nabíjacích časov implementoval každý významný výrobca smartfónov funkciu rýchleho nabíjania. Aby výrobcovia nemuseli vyvíjať svoju vlastnú patentovanú funkciu rýchleho nabíjania, je tu doplnok USB-PD pre napájacie zdroje USB-C certifikované na rýchle nabíjanie.
USB Power Delivery verzia 3.0 je prvý oficiálny štandard rýchleho nabíjania, ktorý môže nahradiť proprietárne riešenia ako QuickCharge od spoločnosti Qualcomm a Apple Lightning. Quickcharge 4.0 technicky zodpovedá implementácii USB-PD.
S USB-PD 3.0 sú predchádzajúce profily napájania s pevným priradením napätia a maximálneho prúdu nahradené flexibilnými pravidlami napájania. Čím vyšší je menovitý výkon, tým viac kombinácií je možných.
Programovateľný napájací zdroj PPS umožňuje napájacím zdrojom USB nielen poskytovať pevné úrovne nad 5 voltov, ale aj dynamicky prechádzať cez široké intervaly napätia. Napájací zdroj reguluje napätie podľa potreby v jemných krokoch. V smartfóne sa nachádza pomerne hlúpy ovládač, ktorý sa transformuje v pevnom, vopred určenom pomere. Takéto regulátory sú lacné a tiež vždy pracujú efektívne v optimálnom prevádzkovom bode. Jednotka napájania nepretržite určuje, aké napätie má poskytnúť.
Príklad 1: 18-wattový napájací zdroj musí dodávať týchto 18 wattov ako kombinácia 9 voltov a 2 zosilňovače. Alebo 5 voltov až do 3 ampérov.
Príklad 2: 50 wattový napájací zdroj môže dodať 5, 9 a 15 voltov s prúdom 3 A. Okrem toho 20 voltov až do 2,5 ampéra.
Poznámka: Prúdy nad 3 A sú možné iba pri napájacích zdrojoch 20 V od 45 do 100 W.
Bez PPS musí smartphone aktívne informovať napájací zdroj, ktorá kombinácia napätia a prúdu je potrebná. V opačnom prípade sa použije rozšírenie špecifikácie USB-BC (nabíjanie batérie) iba s 5 V a 1,5 A. Pôvodne bolo s USB 2.0 povolených iba 500 mA. V praxi napájacie zdroje USB a hostiteľské adaptéry nikdy nedodržiavali špecifikácie USB 1.0, USB 2.0, USB 3.0 a USB-BC.
Problémy s dodávkou USB napájania
Napájanie cez USB bolo v minulosti vždy problematické. A s USB-PD sa to nezmení. Pre rýchle nabíjanie pomocou USB-PD sú potrebné vzdialené stanice podporujúce USB-PD a kábel musí byť vhodný na dodanie napájacieho kábla.
Je ťažké posúdiť, ako úspešné je vyjednávanie napätia a prúdu medzi zariadeniami a káblami od rôznych výrobcov. V praxi to zlyháva kvôli veľmi jednoduchým veciam. Nie všetci hostitelia, periférie, rozbočovače a napájacie zdroje navzájom spolupracujú. Najmä zdroje napájania a notebooky od rôznych výrobcov sa zvyčajne nedajú navzájom voľne kombinovať.
V závislosti od zariadenia, napájacieho zdroja a kábla sa niektoré zariadenia budú nabíjať, ale to len pomaly. Bez napätia nad 5 voltov je možné iba maximálne 15 wattov. Zlý kábel stačí na to, aby sa nabíjanie obmedzilo iba na 3 ampéry. Aby bolo možné prejsť viac ako 3 A, je potrebný aktívny kábel USB s elektronickými komponentmi v konektore USB-C.
Aby toho nebolo málo, špecifikácia USB-PD obsahuje niektoré medzery, a preto môže v praxi dôjsť k zvláštnemu správaniu. Špecifikácia nešpecifikuje, ako by sa zariadenia mali správať, keď sa dodávka a dopyt elektriny nezhodujú. Napríklad nie je jasné, ako sa notebook chová, keď sa ho pokúsite nabiť jednoduchým zdrojom napájania smartphone.
Ďalej zostáva otvorené, čo sa stane, ak je v sieti USB viac ako jeden zdroj napätia. Napríklad dva napájacie zdroje. Je mysliteľné, že jedna z napájacích jednotiek je ignorovaná. Je však mysliteľné aj inteligentné zisťovanie, či je jednotka napájania odpojená a potom je napájanie napájané z druhej jednotky napájania. Za predpokladu zodpovedajúcej funkcie nabíjania je možné paralelne použiť obidva zdroje napájania. Riešenie je ponechané na výrobcov.
Jedným obmedzením môže byť horná hranica 100 wattov. Napríklad keď herný notebook potrebuje viac energie. V praxi potom tieto zariadenia vyžadujú samostatný príkon. Aj keď tieto zariadenia majú zásuvky USB-C.
Tieto nezrovnalosti bohužiaľ znamenajú, že výrobcovia musia rozširovať špecifikácie bez autorizácie a používať proprietárne riešenia.