Tout sur l'USB

L'USB-C élimine les chargeurs à prise cylindrique propriétaires que nous utilisions pour les ordinateurs portables et des myriades d'autres appareils. Il combat les normes propriétaires de chargeurs de téléphone en les rendant explicitement non conformes et en intimidant les entreprises pour qu'elles fassent fonctionner leurs appareils avec des chargeurs largement disponibles. En tant qu'amateur, vous n'avez plus besoin de pousser 3 A via de minuscules connecteurs MicroUSB et des câbles sous-spécifiés pour alimenter un Pi 4 gourmand en courant. Aujourd'hui, tout ce dont vous avez besoin est une prise USB-C avec deux résistances - ou une puce un peu spéciale au cas où les résistances ne vous amènent pas tout à fait là où vous voulez être.

Vous en avez bien plus pour votre argent avec USB-C. Cela s'applique aussi au pouvoir; après tout, tous les appareils ne subsisteront pas avec 15 W – certains en voudront plus. Si 15 W ne suffisent pas pour votre appareil, voyons comment nous pouvons vous aider.

Les alimentations USB-C prennent toujours en charge 5 V et certaines sont limitées à cela, mais la prise en charge de tensions plus élevées est là où elle en est. Les pas de tension habituels de l'USB-C sont 5 V, 9 V, 15 V et 20 V ; La prise en charge du 12 V est facultative et relève davantage d'une convention. Ces étapes sont appelées SPR, et EPR ajoute des étapes de 28 V, 36 V et 48 V dans le mélange - jusqu'à 240 W ; nécessitant de nouveaux câbles, mais étant entièrement compatible en amont et en aval, et entièrement sûr à utiliser grâce aux vérifications de câble et d'appareil que l'USB-C vous permet d'effectuer.

Un chargeur doit prendre en charge toutes les étapes inférieures à son étape la plus élevée, ce qui signifie que les chargeurs compatibles 20 V doivent également prendre en charge 5 V, 9 V et 15 V également - en pratique, la plupart d'entre eux le font effectivement, et seuls certains pourraient sauter une étape ou deux. Vous pouvez également obtenir des tensions intermédiaires, jusqu'à 3,3 V, même, en utilisant une norme PD appelée PPS (ou la norme AVS pour les chargeurs de la gamme EPR) - ce n'est pas une exigence, mais vous constaterez que pas mal d'USB- Les blocs d'alimentation C obligeront et le support PPS est généralement écrit sur l'étiquette.

Cependant, vous ne pouvez pas dépasser 5 V avec seulement des résistances – vous aurez besoin de communications numériques sur la ligne CC, en utilisant un protocole appelé USB PD (Power Delivery) – qui permet à un appareil et à une alimentation de négocier les besoins en alimentation de manière fonctionnelle. Il s'agit d'un protocole bidirectionnel à débit en bauds constant, il y a des contrôles CRC, des exigences de temps de réponse, et il est utilisé pour pratiquement tout USB-C - même les négociations de protocole à haute vitesse. Plus important encore, l'USB-C PD est extrêmement puissant.

Il existe une quantité époustouflante de communication possible via USB-C, ce qui nous permet de créer des appareils plus intelligents que jamais. Il est conçu avec soin - les communications sont compatibles vers l'avant et vers l'arrière, avec de nouveaux chargeurs EPR de 140 W chargeant avec plaisir les anciens appareils de 60 W à des taux de 60 W, et des chargeurs de 60 W toujours utilisables pour une charge plus lente des appareils de 140 W. Les capacités USB PD vont bien au-delà de "donnez-moi cette tension limitée par ce courant", aussi - les appareils peuvent interroger les préférences de rôle d'alimentation, les états de charge, échanger les rôles d'alimentation à la volée, déterminer ce dont un câble est capable et faire tout de cela dans un souci de sécurité.

Si vous n'appréciez pas encore la complexité, laissez-moi vous guider à travers un scénario complexe rendu facile par USB-C. Imaginez une station d'accueil USB-C avec un port USB3, un port HDMI et un port d'entrée de chargeur USB-C. Si vous connectez une telle station d'accueil à votre ordinateur portable sans y brancher de chargeur, l'ordinateur portable alimentera cette station d'accueil avec 5 V, plafonnés à 1,5 A ou 3 A, selon l'ordinateur portable. Cela seul est très utile lorsque vous avez besoin de HDMI ou d'un port USB3 supplémentaire en déplacement, et certains de ces docks ont également Ethernet – difficile de laisser passer cela. Dans l'ensemble, la station d'accueil agit comme un puits d'alimentation et l'ordinateur portable agit comme une source d'alimentation. Cependant, l'arrangement est inversé lorsque vous branchez un chargeur compatible haute tension dans le port d'entrée du chargeur de cette station d'accueil.

Le circuit intégré à l'intérieur de la station d'accueil détectera le chargeur et agira en tant qu'intermédiaire, parlant de PD avec l'ordinateur portable et le chargeur, déterminant les besoins et les capacités d'alimentation de l'autre. Disons que l'ordinateur portable est intéressé par les 20 V, 3 A que le chargeur peut fournir. Le circuit intégré intermédiaire dira à l'ordinateur portable d'arrêter de fournir 5 V et de se préparer à charger à partir d'une tension plus élevée à la place, et une fois que l'ordinateur portable est d'accord, il dira au chargeur d'augmenter la tension. En une seconde, le système a complètement changé - au lieu de fonctionner sur 5 V à partir de l'ordinateur portable, la station d'accueil transmet désormais 20 V du chargeur à l'ordinateur portable par elle-même et est alimentée pour ses propres besoins à partir du même 20 V.

Cet échange de rôle d'alimentation est conçu pour être effectué dans un court laps de temps - vos appareils USB3 et HDMI ne subiront pas de baisses de tension et les communications à haut débit ne sont pas interrompues lors de l'échange de rôle d'alimentation. 20 V n'atteint pas non plus les broches 5 V uniquement - la station d'accueil a une régulation de puissance et une porte à l'intérieur pour empêcher cela. La station d'accueil fonctionnera également si votre ordinateur portable ou votre téléphone ne prend pas en charge la sortie vidéo via USB-C, auquel cas tout sauf le port HDMI fonctionnera comme prévu, et si l'ordinateur portable ne prend pas en charge la charge via USB-C, alors les négociations de tarification échoueront en toute sécurité.

Le dock IC connaît le budget d'alimentation de ses propres ports USB3 et HDMI et le soustrait du budget d'alimentation du chargeur avant de le présenter à l'ordinateur portable, l'ordinateur portable sachant exactement combien de courant il est capable de consommer et pouvant s'y tenir. pour tout alimenter, garder le chargeur heureux et ne pas le surcharger. Si le matériel utilisé est aux normes USB-C, l'utilisateur n'a aucune précaution à prendre, tout est sécurisé.

Mieux encore, vous pouvez acheter un quai comme celui-ci pour seulement 10 $ en ligne. Toutes ces fonctionnalités ne sont pas un coup de chance ou un hack - USB-C est conçu pour faire tout cela et bien plus encore. En tant qu'utilisateur, vous n'avez plus besoin d'acheter un ordinateur portable de classe professionnelle pour obtenir une station d'accueil à câble unique complète - de nombreux ordinateurs portables et téléphones grand public avec données USB-C et chargeurs peuvent gérer tout ce qui est énuméré ci-dessus sans transpirer.

Si vous aimez vous renseigner sur les avancées technologiques des consommateurs et des pirates informatiques, vous trouverez l'USB-C fermement dans le territoire de la technologie futuriste au fur et à mesure que vous le connaîtrez. Vous méritez également de savoir comment tout cela fonctionne - passons en revue les bases des communications de puissance avec PD.

Supposons que vous branchez un chargeur sur un ordinateur portable. Le chargeur fournit une traction sur la ligne CC, l'ordinateur portable le détectera, et si votre ordinateur portable est compatible avec la charge USB-C, il mettra une traction vers le bas sur la ligne CC. Le chargeur fournira alors 5 V et se préparera à parler de PD pour tout ce qui est supérieur à cela. Comme vous pouvez le voir, avant que des tensions plus élevées ne soient possibles, vous devez d'abord passer par le 5 V et les communications analogiques. Mettez vos résistances de 5,1 kΩ sur les broches CC, obtenez 5 V et parlez à l'alimentation pour qu'elle vous donne une tension plus élevée à partir de là.

Les résistances restent connectées pendant les communications - en fait, la combinaison de la résistance pullup et pulldown doit être présente en permanence pour que le chargeur continue à fournir du courant, même à des tensions bien au-delà de 5 V. La tension de ligne CC est utilisée pour que le bloc d'alimentation puisse déterminer rapidement quand un appareil a été débranché, et vice-versa - cela aide avec des fonctions de sécurité comme la réduction des arcs de contact à des tensions plus élevées lors du débranchement du câble, et s'assurer que le chargeur sort de ses modes de tension plus élevée afin qu'il ne le fasse pas détruisez le prochain appareil connecté - qui était autrefois un mode de défaillance pour certains des tout premiers chargeurs USB-C.

En conséquence, la signalisation numérique est superposée sur la tension de ligne CC. On pourrait dire que PD est un protocole semi-numérique. Cette exigence de PD, ainsi que des exigences telles que l'application de VCONN à une broche actuellement inutilisée pour vérifier les câbles haute vitesse ou> 3 A, rendent difficile le simple câblage des broches CC à un périphérique UART ou similaire. Cependant, il existe des microcontrôleurs avec des périphériques PD, de conception occidentale et orientale, et il existe des puces parlantes PD que vous pouvez connecter via I2C si votre microcontrôleur n'en a pas.

La possibilité de parler de PD est essentielle pour rendre l'USB-C accessible aux pirates. Vous n'avez pas besoin de connaître le jargon PD si la haute tension d'un port USB-C est tout ce dont vous avez besoin, cependant.

Vous pouvez acheter un IC amical pour parler PD pour vous. Vous avez peut-être entendu parler de "cartes de déclenchement PD" - une petite carte avec une prise USB-C, deux broches pour la sortie de tension, des cavaliers à souder si vous avez de la chance et un circuit intégré avec juste assez de vocabulaire PD pour convaincre une alimentation cela devrait nous donner 20 V ou 9 V. Nous avons vu des pirates utiliser des cartes de déclenchement et des puces PD pour convertir d'anciens ordinateurs portables et des appareils plus puissants afin d'être alimentés par des alimentations USB-C, dans des situations où le fabricant ne l'a absolument pas fait. avoir l'intention que cela se produise.

Il existe un certain nombre de circuits intégrés de déclenchement. Nous avons vu des pirates utiliser avec succès IP2721 et, récemment, explorer des circuits intégrés comme le CH224K. Cependant, la plupart d'entre nous achetons simplement un petit circuit imprimé avec tout soudé, et ne nous inquiétons pas des circuits intégrés spécifiques; cela dit, vous voudrez avoir quelques suggestions chaque fois que vous entreprenez de concevoir un appareil avec des exigences de haute tension de port USB-C, ce qui est avec des événements de rupture de stock surprises et tout.

Les cartes de déclenchement PD ne sont pas parfaites pour tout. Supposons que vous souhaitiez alimenter une charge résistive de 8 Ω via USB-C. Prenons l'exemple d'un fer à souder compatible PD. La pointe a besoin de 2,5 A à 20 V et de 1,9 A à 15 V. Un chargeur de 60 W peut fournir 3 A à 20 V et se fera un plaisir d'alimenter votre charge, de sorte que vous pouvez régler en toute sécurité votre carte de déclenchement sur 20 V avec un cavalier à souder. Mais alors, un chargeur de 45 W ne peut offrir que 2,25 A sur 20 V, et une charge de 8 Ohm le mettra en mode de protection contre les surintensités - vous devez utiliser 15 V même si le mode 20 V est disponible. Les circuits intégrés de la carte de déclenchement ne sont pas conçus avec une telle logique à l'esprit - ainsi, des projets comme le PD Buddy Sink existent, associant une puce PD-talking avec un MCU qui peut gérer une logique plus complexe.

En fait, les cartes de déclenchement n'ont pas tendance à vous donner d'informations sur la limite de courant - s'il y a un risque de surintensité parce que le chargeur ne peut pas fournir 3 A à la tension demandée par la carte de déclenchement, vous devrez simplement vous assurer que le chargeur que vous utilisez utiliser des dispositifs de protection contre les surintensités ; ceux-ci sont mandatés par USB-C et effectués par la plupart, cela dit, vous ne voulez pas non plus que votre appareil redémarre toutes les quelques secondes. De plus, si vous voulez un port à double rôle qui fonctionne avec des adaptateurs OTG ou qui peut peut-être faire des voies à grande vitesse, un CI de déclenchement ne pourra pas vous aider, et vous ne pouvez pas simplement connecter plusieurs CI PD demandant différentes fonctions dans parallèle à vos broches CC. Nous pouvons essayer de dépasser ces limitations dans des articles ultérieurs - pour l'instant, sachez que les cartes de déclenchement ont leur place bien définie dans votre arsenal USB-C, et elles vous aideront dans vos projets USB-C en ce qui concerne les tensions plus élevées.

Que se passe-t-il si vous avez un bloc d'alimentation à prise cylindrique 20 V que vous souhaitez transformer en chargeur USB-C ? Après tout, les tensions correspondent. Les choses ne sont pas aussi simples - vous ne pouvez pas simplement brancher 20 V dans un port USB-C et vous attendre à ce que votre ordinateur portable se charge. En fait, votre ordinateur portable pourrait mourir si vous le faites - il n'est pas garanti que la fumée magique ne soit pas libérée ; certains ordinateurs portables sont protégés contre cela, mais j'ai été témoin de cet arrangement provoquant des émissions de fumée magiques, et je préférerais que cela ne vous arrive pas non plus. Vous voulez le faire correctement, et pour cela, vous devez d'abord passer par la chanson de négociation PD et danser, en limitant la tension fournie à 5 V pendant qu'elle y est.

Il existe des adaptateurs en ligne qui semblent faire au moins les parties 5 V et PD pour vous - sans les étapes intermédiaires, mais bon, vous pouvez les omettre en toute sécurité si vous savez que 20 V est ce dont votre appareil a besoin. Vous devez également vous assurer que votre 20 V se situe dans une plage raisonnable ; parfois l'adaptateur vérifiera cela pour vous, et parfois l'appareil ne s'en souciera pas. Il existe également de nombreuses conceptions de blocs d'alimentation USB-C avec entrée CC, qui auront une conversion active intégrée - de sorte que vos blocs d'alimentation 12 V, 19 V et 24 V peuvent être utilisés à bon escient avec des éléments USB-C.

Il y a des mises en garde à l'alimentation USB-C. L'un d'eux connecte deux ports à double rôle ensemble - disons, un ordinateur portable et une banque d'alimentation. Les deux peuvent soit fournir de l'énergie, soit utiliser de l'énergie pour la charge, et avec USB-C, ils utilisent le même port pour ces deux fonctions. Par conséquent, si vous souhaitez recharger votre ordinateur portable sophistiqué à partir de votre powerbank sophistiqué, vous pourriez être surpris de voir votre ordinateur portable charger votre powerbank à la place - et la même chose pourrait se produire si vous connectez votre téléphone à votre ordinateur portable. Ce n'est pas souvent que cela arrive et il semble que certains fabricants de powerbank parviennent à éviter un tel arrangement ; cependant, d'autres produits pourraient ne pas s'en tirer aussi bien.

Il existe des dispositions pour l'échange d'informations sur le niveau de la batterie dans USB-C, mais je suppose qu'elles ne sont pas utilisées ou mises en œuvre par tous. Certains appareils qui exposent les contrôles de la couche USB-C aux utilisateurs vous montreront un menu où vous pourrez vérifier – en partie, les téléphones modernes et les Chromebooks le font. Les Powerbanks avec leurs commandes à un seul bouton, s'ils ont même un bouton, pourraient ne pas le faire, et de nombreux ordinateurs portables ne sont pas en mesure de demander quoi que ce soit non plus, nous devrons donc simplement attendre et voir une éventuelle solution pour que les fabricants standardisent sur.

USB-C vous permet également de mettre en œuvre la signature numérique pour la vérification de la validité de l'appareil. Si vous pouvez lire entre les lignes, ça sent le DRM, et c'est ce que c'est. Certains fabricants d'appareils, en particulier de la triade noire HP/Dell/Lenovo, implémenteront un DRM qui oblige leur ordinateur portable à accélérer son processeur si le chargeur ou le câble est tiers, même s'il s'agit toujours de 100 W. C'est en quelque sorte logique lorsque Dell le fait dans les cas où il pousse 6A via une combinaison vérifiée de chargeur, de câble et d'ordinateur portable. Mais à ce stade, soyons justes, le choix consciencieux aurait été d'opter pour l'EPR et 140 W à la place, et l'étranglement est inexcusable de toute façon.

Au sujet des ordinateurs portables - si jamais vous essayez de trouver un ordinateur portable qui donne plus de 5 V sur son port USB-C, je vous souhaite bonne chance. Autant que je sache, de tels ordinateurs portables n'existent pas, et vous aurez besoin d'un chargeur et d'un powerbank.

Il y a peu de raisons techniques pour lesquelles une alimentation à découpage doit être câblée à une certaine tension, et USB-C brise ces chaînes. Maintenant, vous pouvez obtenir 9 V ou 20 V à 3 A à partir d'un chargeur de station-service et d'une petite carte bon marché, et vous pouvez même charger des batteries Li-Ion à partir d'un chargeur PPS. Il existe un potentiel dans les capacités USB-C, que nous commençons seulement à exploiter. Au fil du temps, les prises propriétaires et les chargeurs de tension loufoques autour de nous s'éteindront complètement, et nous les oublierons, tout comme nous avons oublié toutes les normes de câble de transfert de données de téléphone portable après que MicroUSB a pris le relais. Combien de ports de câbles de données propriétaires Samsung a-t-il créés à lui seul, encore ?