USB Kalkış Akımı Gereksinimlerini Anlama


18

Önceki bir soru ile ilgili olarak , ani akım için USB 2.0 gereksinimlerini anlamaya çalışıyorum. Temel fikri anlıyorum, ancak bazı detaylar hala belirsiz. Şartname devletler, kısmen, o:

Bir kablonun aşağı akış ucuna yerleştirilebilecek maksimum yük (CRPB)
44 with ile paralel olarak 10 μF'dir . 10 μF kapasitans, fonksiyondaki VBUS hatlarına doğrudan bağlanan herhangi bir baypas kapasitörünü ve ayrıca cihazdaki regülatörden görülebilen kapasitif etkileri temsil eder. 44 Ω direnç, bağlantı sırasında cihaz tarafından çekilen bir birim akım yükünü temsil eder.

Cihazda daha fazla bypass kapasitansı gerekiyorsa, cihaz yukarıdaki yükün özelliklerine uygun olacak şekilde bir çeşit VBUS dalgalanma akımı sınırlaması içermelidir.

USB-IF ayrıca bir ani akım testinin açıklamasını sağlar :

Kalkış akımı takıldıktan sonra en az 100 milisaniye boyunca ölçülür. Takma, fişin VBus ve topraklama pimlerinin yuva ile birlikte olduğu anda tanımlanır.
100 ms aralıkta 100 mA'yı aşan herhangi bir akım, ani akım olayının bir parçası olarak kabul edilir. Kalkış akımı bölgelere ayrılmıştır. Bölge, akım en az 100 µs için 100 mA'nın altına düşene kadar akımın 100 mA'yı aştığı bir aralıktır. 100 msn süresinde birden fazla demeraj bölgesi olabilir. Başarılı / başarısız en yüksek yüke sahip bölge tarafından belirlenir.

Bu açık olduğu kadar açıktır, ancak yalnızca minimum bir ölçüm süresi verir ve geçme / başarısızlık kararı vermek için yığılma bölgelerine hangi algoritmanın uygulandığını açıklamaz. Ben düşünüyorum fikri akım 100 mA den bölgelerde sırasında, akım bu pencerede sırasında aktarılan toplam yük almak için entegre edilmiş olması ve toplam ödeme, 10 uF // 44 ile olsun daha büyük olmamalıdır Ω yük. Bir kaynağa göre , bu 5V * 10 uF = 50 uC olacaktır. Anladığım yer biraz titrekleşiyor.

Anlamama yardımcı olmak için aşağıdaki devreyi analiz ettim :

devre

V1/R,1V1/(R,1+R,2)(1/R,1+1/R,2)-1C1

Zaman transfer edilen toplam yük, olacakt

S(t)=V1R,1+R,2t+V1R,22C(R,1+R,2)2{1-tecrübe(-tC1(1R,1+1R,2))}

Limitte olarak bu basitleştirir için sıfıra giderR,1

S(t)=V1R,2t+V1C

Anlamadığım bir kısım, USB veriyolundan 5 volt ve öngörülen 44 Ω yük ile, her zaman belirtilen USB'de açıklanan 100 mA sınırından daha fazla olan 5V / 44 Ω = 114 mA akım olacağıdır. -IF testi ve ayrıca düşük güçlü bir USB işlevi için izin verilen maksimum bir birimden (yani 100 mA) fazla yük (USB 2.0 spesifikasyonu bölüm 7.2.1). R1 = 0 sınırlayıcı durumda, bu akım R2 * C1 = 440 µs'deki kapasitör (yani 50 µC) kadar yük çekecektir.

Yani soru, eğer hala okuyorsanız, yukarıdaki yükün özelliklerini "[eşleştirmek] (yani 10 µF ile 44 Ω paralel) tam olarak ne anlama gelir ve tarif edilen USB-IF inrush akım testi ne kadar çok akım olduğuna karar verir?

Teşekkürler.


3
USB neredeyse hiç size 5V vermeyecektir. Genellikle VBus'tan yaklaşık 4.5V alır, alır veya alırsınız. Kılavuzun biraz karamsar olduğu ve telden 4.4V olduğu varsayılıyor, bu nedenle 44 ohm = 1 birim yük var.
ajs410

@ ajs410: Daha önce 5.0 V'a yakın olmayan bir USB ana bilgisayar görmedim. Teknik özellik, 4.4 ila 5.25 V arasında değişebileceğini söylüyor, bu nedenle cihazınızın bu aralıktaki herhangi bir voltajla çalışması gerekiyor.
endolith

Spesifikasyondaki voltajlarla çalışması gerektiği doğru, sadece 4.5V aldığınız çoklu PC'ler ve hatta güç hub'ları ile ilgili deneyimim oldu. Oldukça şaşırdım, çünkü en azından hublar telden 5V geçecekti, ancak hublar aslında PC'den daha düşük voltajlara sahipti.
ajs410

@endolith 4.4V, güç verilmemiş bir hub'ın bağlantı noktalarında bulunmasına izin verilen voltajdan bahsediyor ve uyum sağlamak için güç vermeyen bir çevre birimi tasarlamanız gereken gerçek minimum 4.35V. Bir USB ana bilgisayarı için minimum voltaj 4,75V'tur. Veriyoluyla çalışan bir perihperal doğrudan bir ana makine bağlantı noktasına bağlanmaz ve çoğu zaman bağlanmaz, bu nedenle bir USB ana bilgisayarda ölçtüğünüz voltaj bu tartışma ile daha az ilgili olamaz.
metacollin

Yanıtlar:


7

Cevap: kimse bilmiyor.

Eh, birileri biliyor ama ani geçiş / sınav mülkiyet bilgilerini ve nasıl kabul edilir başarısız onların bilmek nedenlerden dolayı USB IF tarafından yayınlanmadı yapıldığını belirlenmesi,. Bunun çok tatmin edici bir cevap olmadığını biliyorum, ama bu basit gerçek.

Elektriksel uyumluluk testleri sayfasını alıntılamak için (metin kırmızıdır, böylece normal USB-IF ciddiyet seviyesinden daha ciddi olduklarını bilirsiniz):

NOT: Aşağıdaki onaylı test çözümlerinden bazıları sinyal kalitesini ve ani akım olaylarını değerlendirmek için özel yazılım kullanır. Sinyal kalitesini ve ani akımı onaylamak için tek resmi analiz aracı USB-IF tarafından yayınlanan USBET20'dir . Ölçümün resmi bir değerlendirmesi için lütfen yakalanan sinyal kalitesini ve mevcut test verilerini USBET üzerinden çalıştırdığınızdan emin olun.

Bu yüzden açıkça bir dalga formu yakalama veya birkaç osiloskopun "USB yığılma testi" özelliği (bunu hiç görmedim, bu yüzden yeterince pahalı osiloskop kullanmamalıyım) kullanarak belirleme yapamayacağınızı açıkça belirtiyorlar ve geçerli değil ani akım uyumluluğunu karşılamak, USBSET20 cihazınızın uyumlulukla buluştuğunu söylüyorsa. .Tsv / .csv dalga formu yakalama verilerini alır ve USB uyumluluk adaletini ortaya çıkarır (html formatında).

USB araçları indirme sayfasından:

USBET20 (8MB, Ağustos 2016), USB Uyumluluk testi için bağımsız bir elektrik sinyali analiz aracıdır. USBET20, bir osiloskoptan yakalanan sinyal kalitesi ve ani akım verileri üzerinde başarılı / başarısız değerlendirmeleri yapan resmi uygunluk elektrik analiz aracıdır.

Daha ayrıntılı olarak söylemek gerekirse, sadece minimum ölçüm süresini söylerler, çünkü bilmeniz gereken tek şey budur. Gerçek başarılı / başarısız belirlemesinin nasıl yapıldığını bilmenize gerek yoktur ve gerçekten söylemezler. USB-IF size uygun olup olmadığınızı söylemeye hazırdır, ancak kimseye bunu nasıl belirlediğini söylemez (en azından ani akım için).

Bu maksimum aşağı akış yükü, bir yukarı akış cihazıyla (ana bilgisayar bağlantı noktası veya hub) ilgili bir özelliktir, yani bunlardan birini tasarlarken ve bir çevre birimini DEĞİLDİR, o zaman bu hub veya bağlantı noktası 44Ω direnç ve a 10µF kondansatör paralel. Ve kesinlikle haklısın - bu, en zorlu koşullar altında 100mA sınırını aşan 25mA kadar çekebilir. Bu haliyle, bir yukarı akış aygıtı, bağlanan böyle bir yükü ("tutamak", 330mV'luk bir düşüşten daha fazla acı çekmeyecek şekilde) işleyebilmelidir.

Ancak, çevre biriminiz böyle bir yük olsaydı, uygun voltaj aralığının bazılarında (esasen hepsi) 100mA'nın üzerine çıkacağı için uyumu geçmezdi. Bu yük tamamen yukarı yönlü cihazlar için en kötü durum tasarım senaryosu olarak ifade edilir ve bunları test etmek için kullanılır. Periferik ani akım uyum testi ile ilgili değildir.

İlgili olan, gerçekte akımla ilgili olmamasıdır. Bu şarjla ilgili, bu yüzden zaten bununla doğru yoldasınız. Özellikle, voltaj düşüşü ile ilgilidir. Bir hub üzerindeki bir yukarı akış portunun, VBUS çıkışında 120µF'den daha az çok düşük ESR kapasitansına sahip olmaması gerekir, bu da veri yolu aşağı akış çevre birimlerine güç verir.

En kötü konektörler, en dar konektörlerden, en dar kablodan, en dar konektörleri de kullanan güçsüz bir hub'a giden en kötü durum çıkış voltajını (4.75V) veren bir ana bilgisayar veya elektrikli hub, daha sonra bu hub daha da VBUS çıkışına en kısa VBUS giriş voltajına sahiptir. / aşağı akım voltaj düşüşü (350mV), voltaj 4.4V olacaktır. Crappy konektörler aracılığıyla berbat bir çevre birimine bağlanan 4.4V, düşük güçlü bir cihaz için gerçek mutlak minimum voltajı görmesine neden olabilir: 4.35V. USB 2.0 spesifikasyonunun 175. sayfasından:

resim açıklamasını buraya girin

Hadi biraz matematik yapalım. enerjisiz bir yukarı akış göbeğinin 120µF aşağı akış kapasitansı olmalıdır. 4.4V * 120µF'de, bu 528µC şarj demektir. Bağlı bir cihazın 10µF kapasitörü vardır. Statik yük veya güç olmadığını, sadece bağlantı noktasında şarj edilmiş bir kapasitör ve çevre biriminde şarj edilmemiş 10µF'lik bir yük olduğunu iddia ederseniz, yük diğeri dolana kadar değil, aralarındaki voltaj eşit olana kadar dağıtılır. Şarj korunur, bu nedenle 528µC başlangıç ​​şarjı verildiğinde iki kapasitör voltajının birbirine eşit olacağı nokta yaklaşık 4.06V'dir. Veya, 40.6uC aktarıldı. Konnektör dirençlerini ekleyin, aşağı akış kondansatörü ani çalışma sırasında bu kadar fazla yük çekemez.

Yani, kelimenin tam anlamıyla tek önemli faktör, 10 µF'yi aşmamasıdır. Akım gerçekten önemli olan bir şey değildir, kablo endüktansı gibi şeyler gerçek ana bilgisayar gücünün yakalanması için zaman vermeden önce geçici olarak 330mV'den fazla düşmeden hub'ın aşağı akış bağlantı noktası kapasitansı nasıl tükenebilir. Ve 10µF kapasitör bunu yapmayacak en yakın değerdir.

Ayrıca kapasitans sınırı olmadığını da unutmayın. 10µF bölümlere ayrıldığınız ve sadece bir tanesi bağlantıya bağlanacak olduğu sürece, bir alt cihazda tüm seramik kapasitansının 1F'sine sahip olabilirsiniz. Cihaz takıldıktan sonra, herhangi bir 10µF adımının altında kalmalısınız , ancak 10µF'lik artışlarla kademeli olarak daha fazla kapasitans "çevrimiçi" yapabilirsiniz. Bütün mesele bu geçici durumdan kaçınmaktır.

Ve evet, bu düşük güçlü bir çevre biriminin sadece 4.35V'a kadar çalışması gerektiği değil, aynı zamanda bir hub'a yeni bir şey bağlandığında olduğu gibi 330mV voltaj düşüşüne geçici olarak dayanması gerektiği anlamına gelir. Bu aynı zamanda, teorik olarak, SADECE iki cihazı neredeyse aynı anda olacak şekilde doğru zamanlarda taktıysanız, muhtemelen güçsüz hub'daki diğer cihazların çalışmasını kesintiye uğratabileceğiniz anlamına gelir. Eminim robotlar, HPET'leriyle birlikte, düşüşümüzü sağlamak için USB veri yolu spesifikasyonumuzdaki bu kritik açıktan yararlanacaklar.

Şimdi, muhtemelen dI / dT oranları veya başka herhangi bir şey gibi başka ince yönler vardır. Geçme başarısızlık testine neyin dahil olduğunu tam olarak bilen. Bu testi gerçekleştiren program için 7,5 MB'lık bir yükleyiciye sahip oldukları düşünüldüğünde, bunun basit bir şey olmadığını varsaymak muhtemelen güvenlidir. Ancak, akış yukarı kapasitör rezervuarlarını kendi akış aşağı kapasitansınızla aşırı tüketmekten kaçınmaya çalıştığınızı unutmayın ve gerçekten de hepsi bu kadar. Çevresel cihazınızın potansiyel olarak neden olabileceği voltaj nedeniyle diğer cihazların arızalanmasına neden olmadıkça, sorun olmaz. Ve gerçekten, sadece ekte veya diğer güç durumu değişikliklerinde görülen kapasitansı 10µF olarak tutmak anlamına gelir. Aslında bundan daha azına sahip olmak daha iyi olurdu, maksimum 10µF. Yapmıyorum t Mutlak maksimumun 'standart' kapasitansın başlaması gerektiği fikrinin nereden başladığını bilmemekle birlikte, iyi mühendisler maksimum reyting için gitmekten daha iyisini bilirler. Daima küçümseyin. Güzel bir 4.7µF kapasitör seviyorum. Daha fazla ayrıştırmaya ihtiyacınız varsa, tek yapmanız gereken doğrudan VBUS'a bağlamak ve 100mA dalgalanma çekişi ile sınırlamaktır ve altınsınız. Ancak, bir bölge boyunca yalnızca 40.6µC değerinde şarj aktarıldığı sürece 100mA'dan fazla izin veriliyor.

Kalkış akımı hakkında endişelenmeyin. Yığılma akımı testi aslında yığılma akımı ile ilgili değildir.


2

Kalkış testi, USB-IF Uyumluluk Güncellemeleri, http://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45 bölümünde belirtilmiştir .

Kalkış akımı takıldıktan sonra en az 100 milisaniye boyunca ölçülür. Takma, fişin VBus ve topraklama pimlerinin yuva ile birlikte olduğu anda tanımlanır. 100 ms aralıkta 100 mA'yı aşan herhangi bir akım, ani akım olayının bir parçası olarak kabul edilir. Kalkış akımı bölgelere ayrılmıştır. Bölge, akım en az 100 µs için 100 mA'nın altına düşene kadar akımın 100 mA'yı aştığı bir aralıktır. 100 msn süresinde birden fazla demeraj bölgesi olabilir. Başarılı / başarısız en yüksek yüke sahip bölge tarafından belirlenir.

Başarılı / başarısız 50 uC veya 5V x 10 uF'dur (@metacolin düşüşü hesaba katar, ancak USB bunu yapmaz).

Akımın bir kapsam yakalamasına bakarak ve her bölge için 100 mA'nın üzerindeki alanı (i * dt) hesaplayarak yığılmayı yaklaşık olarak hesaplayabilir ve taktıktan sonra 100 ms boyunca en kötü durum bölgesini kontrol edebilirsiniz.

USBET hesaplamayı .csv verilerine göre yapar.

Gerçek tepe akımı tek başına ilgili değildir.


0

Bu USB hub veya ana bilgisayar adaptörü için bir özelliktir. Kara kutu modeli, dalgalanma testi için tipik bir yükü temsil eder, ancak spesifikasyon sadece periferik bir 1uF min kapağı gerektirir, 10uF standart değer yükü olarak kabul edilir. Kondansatörler ESR değeri 10mΩ kadar düşük olan her türden geldiğinden, dalgalanma kapağın ESR'si ve 1 veya 1.5m kablonun direnci ile sınırlanacaktır. Kablo ve konektörler ihmal edilmişse veya 0 Ω ise, teoride 500A dalgalanma = 5V / 0.01Ω ESR olabilir.

Uygulamada, çok daha az olacaktır, ancak mesele şu ki, Ana Bilgisayar, kapağın ESR'sine bakılmaksızın düşük voltaj durumunu önleyebilmelidir.

Bunu nasıl yaptığı, tasarımcıya kalmış.

Yani sorunuz ...

Tarif edilen USB-IF ani akım testi ne kadar akımın çok fazla olduğuna nasıl karar verir?

Cevap: Gerilim için spesifikasyon dahilinde kalan ana bilgisayar voltajı ile, diğer bağlantı noktalarının sıcak geçmeli ani akım dalgalanmasından spesifikasyon dışında bir durum görmemesi. Bu testin amacı budur.

Buna ek olarak, test kara kutu testi ile 100mA üzerinde herhangi bir dalgalanma görmezse, en az 1 uF yüke sahip, sıcak takılan bir cihazı algılayamayabilir. Dolayısıyla, beklenen minimum dalgalanma ve maksimum tepe noktası yoktur, ancak maksimum süre vardır.


1
Bu çevre birimleri için bir spec, ana bilgisayarlar değil. Çevre Birimleri için Uygunluk Kontrol Listesi "Cihaz, 10µF'tan küçük kapasitörler kullanarak veya yumuşak başlangıç ​​devreleri kullanarak ani akımını sınırlandırıyor mu, böylece cihaz sıcakken 100mA'dan yüksek akımlar tarafından 10µF'den fazla kapasitans şarj edilmiyor takılı?"
endolith
Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.