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Microchip

Der Universal Serial Bus (USB) ist die am meisten genutzte Computer-Schnittstelle weltweit. Die meisten mobilen Elektronikgeräte wie MP3-Player, Digitalkameras, Mobiltelefone und Tablets nutzen USB für den Datenaustausch mit einem PC. Da ein Standard-USB-Downstream-Anschluss mindestens 500 mA (USB 2.0) oder 900 mA (USB 3.0) Strom bereitstellen kann, eignet er sich auch zum Laden dieser Geräte. Mit einer Erhöhung der Strombegrenzung lassen sich die Geräte effizienter laden. Speziell hierfür hat Microchip den USB-Hub-Controller USB2534 mit Rapid-Charge entwickelt.

Eckdaten

Für ein schnelleres Batterieladen in mobilen Geräten stellt der USB-Controller USB2534 von Microchip spezielle Ladefunktionen zur Verfügung und steuert damit höhere Ladeströme als standardmäßig für USB spezifiziert sind. Der Hub-Controller mit Rapid-Charge unterstützt Ladeprotokolle für ältere Geräte, SE1, Chinese Telecommunications Industry YD/T 1591-2009 und USB-IF BC1.2 und somit Geräte von Apple, Samsung und weiteren. Der USB2534 kann auch in mobilen Geräten eingesetzt werden, die eine USB-Ladeerkennung benötigen.

Einen höheren Ladestrom anfordern

Übersteigt der erforderliche Strom die oben genannten Grenzwerte, müssen das zu ladende Gerät und der Ladeanschluss einem Protokoll folgen, um den Ladevorgang mit einem höheren Strom zu ermöglichen. Ein Downstream-Ladeanschluss ist verantwortlich für den Austausch der richtigen Handshake-Signale mit dem zu ladenden Gerät. Damit wird angezeigt, dass das Gerät an einen Ladeanschluss angeschlossen ist und Strom über dem Standard-USB-Grenzwert beziehen kann. Die richtige Signalisierung hängt vom tragbaren Gerät ab. Einige Geräte nutzen für das Laden die BC1.2-Protokolle des USB-IF, andere wiederum proprietäre Handshake-Protokolle oder ältere Modi.

Ladeerkennung bei älteren Geräten

Ältere Geräte unterstützen die Batterieladeerkennung in Verwendung mit einem speziellen Ladegerät. Einige dieser Ladeeinrichtungen schließen D+ und D- kurz oder verbinden sie über einen Serienwiderstand. Zur Ladeerkennung legen diese Geräte über einen Pull-up-Widerstand eine Spannung an D+ und messen die Spannung an D-. Wird eine positive Spannung erkannt, nimmt das Gerät an, dass es mit einem speziellen Ladegerät verbunden ist und nicht mit einem Standard-USB-Anschluss. Andere Geräte schalten einen Pull-down-Widerstand auf eine Datenleitung und einen Pull-up-Widerstand auf die andere. Erkennt das Gerät eine Ladeeinrichtung durch eine positive Spannung an D-, kann das Laden über die Vbus-Verbindung mit Stromwerten oberhalb der USB-Spezifikationen beginnen.

Andere ältere Geräte verlassen sich darauf, dass die Ladeeinrichtung feste Spannungen >1 V auf die D+- und D– Datenleitungen aufschaltet (SE1-Ladeeinrichtung). Erfasst das zu ladende Gerät diese Spannungen, nimmt es eine Verbindung zu einem speziellen Ladegerät an und das Laden beginnt. Ein Standard-USB-Downstream-Anschluss würde diese festen Spannungen auf D+ und D- nicht bereitstellen.

Bild 1: Unterschiedliche Ladeerkennungen und die dafür erforderliche Beschaltung im mobilen Gerät.

Bild 1: Unterschiedliche Ladeerkennungen und die dafür erforderliche Beschaltung im mobilen Gerät.Microchip

Ladeerkennungsarten

Das tragbare Gerät ist zuständig für die Ladeerkennung und muss diese mit der Stromquelle (beispielsweise USB-Controller im Computer) korrekt kommunizieren. Die linke Hälfte von Bild 1 zeigt die für unterschiedliche Erkennungsarten erforderliche Hardware im mobilen Gerät.

Die rechte Seite von Bild 1 stellt fünf unterschiedliche Ladeerkennungsarten dar: Vbus-, Datenkontakt-, Primäre, Sekundäre und ACA-Erkennung.

Erkennung der USB-Versorgungsspannung

Ein mobiles Gerät enthält einen Komparator zum Eröffnen einer gültigen Session (Bild 1, oben links). Vbus muss dafür über der Schwellenspannung VOTG_SESS_VLD liegen, bevor die Ladeerkennung initiiert wird.

Erkennung der Datenleitungen

Diese Erkennungsart ist optional und bestätigt, dass die Datenleitungen beim Anschließen kontaktiert sind. Eine Stromquelle an D+ und ein Pull-down-Widerstand an D- werden aktiviert. Geht die D+-Leitung auf Low, sind die Datenleitungen an einen Ladeanschluss angeschlossen oder einen Standardanschluss und die Logik beginnt mit der primären Erkennung. Ein Timeout-Schaltkreis stellt sicher, dass die primäre Erkennung eine bestimmte Zeit nach dem Anschließen startet – für den Fall, dass ein Kontakt nicht erkannt wird oder der Datenkontakt-Erkennungsblock nicht vorhanden ist.

Bild 2: Primäre Erkennung an einem Dedicated Charging Port (DCP).

Bild 2: Primäre Erkennung an einem Dedicated Charging Port (DCP).Microchip

Primäre Erkennung

Für ein mobiles Gerät ist die primäre Erkennung erforderlich, die zwischen einem Standard Downstream Port (SDP) und einem Ladeanschluss (DCP/CDP/ACA) unterscheidet.

Bild 2 zeigt, was passiert, wenn das Gerät an einen Dedicated Charging Port (DCP) angeschlossen wird. Bild 3 zeigt den Anschluss an einen Charging Downstream Port (CDP) und Bild 4 zeigt den Anschluss an einen SDP.

Bild 3: Primäre Erkennung mit einem Charging Downstream Port (CDP).

Bild 3: Primäre Erkennung mit einem Charging Downstream Port (CDP).Microchip

Sekundäre Erkennung

Diese Erkennung wird zur Unterscheidung zwischen einem DCP und CDP verwendet. Ist ein tragbares Gerät bereit für die Enumeration (Kommunikation über die Datenleitungen) innerhalb einer bestimmten Zeit nach der Vbus-Erkennung, kann die sekundäre Erkennung wegfallen, anderenfalls ist sie durchzuführen.

Nur tragbare Geräte mit einem USB-Micro-AB-Anschluss unterstützen die ACA-Erkennung, die daher optional ist. Die Erkennung erfolgt durch Messung des Widerstands am ID-Pin.

Bild 4: Primäre Erkennung mit einem Standard Downstream Port (SDP).

Bild 4: Primäre Erkennung mit einem Standard Downstream Port (SDP).Microchip

Batterieladen über den Hub-Controller USB2534

Der Microchip-Hub-Controller USB2534 mit Rapid-Charge sorgt für die richtigen Handshake-Signale zwischen tragbaren Geräten und Downstream-Ports, um ein schnelleres Laden der Batterie zu ermöglichen. Er bietet auch eine USB-Upstream-Ladeerkennung. Um die große Vielfalt tragbarer Geräte laden zu können, muss ein USB-Controller auch die richtigen Handshake-Signale für ältere Ladegeräte, SE1-Ladegeräte, Ladegeräte nach der Chinese-Telecommunications-Industry-Spezifikation YD/T 1591-2009 und BC1.2-konforme Geräte unterstützen. Der USB2534 enthält alle diese Protokolle und unterstützt damit auch Geräte von Apple, Samsung und vielen weiteren.

Konfiguration als Downstream-Port

Wird ein USB-Downstream-Port für das Laden einer Batterie konfiguriert, ist er ein CDP, wenn er das Gerät enumerieren kann, oder ein DCP falls nicht. Wird der Anschluss nicht für das Laden konfiguriert, ist er ein SDP.

Die Downstream-Ports lassen sich durch Hinzufügen eines Pull-up-Widerstands (10 kΩ) an der Ladekonfigurationsbrücke des entsprechenden Ports aktivieren. Diese Anschlussbrücken werden bei einem Reset abgefragt. Ist die Abfrage 1 (High), wird der entsprechende Port für den Ladevorgang freigegeben.

Das Programmiertool Protouch

Der Ladevorgang lässt sich auch über die Ladekonfigurationsregister im USB2534 initiieren. Diese Register verwendet die interne ROM-Firmware zur Konfiguration der Ladefunktion jedes Ports. Mit dem Programmiertool Protouch lassen sich Portkonfigurationen im OTP-Speicher (One-Time Programmable) programmieren. Dieses Microchip-Entwicklungswerkzeug dient zur Konfiguration und Programmierung von USB2534-Hub-Controllern in der Entwicklung und beim Prototyping sowie in einer Fertigungsumgebung.

Laden im DCP-Modus

Ist keine Upstream-Vbus-Spannung vorhanden und daher kein USB-Host am Upstream-Port angeschlossen, arbeiten die Downstream-Lade-Enable-Ports als DCP-Ports. Die Lade-Enable-Ports verlassen diesen Modus, wenn der Upstream-Port eine Host-Verbindung aufweist. Der DCP-Modus wird aktiviert, wenn der USB2534 aussetzt und ein Remote Wakeup deaktiviert ist. Beim Laden im DCP-Modus versucht der Port ein Handshake und die Identifizierung des BC-fähigen Geräts. Im DCP-Modus startet das Gerät immer im SE1-Modus. Es wird nicht erkannt, ob ein SE1-Gerät angeschlossen ist, ein Nicht-SE1-Gerät wird jedoch erkannt, wenn D- (DM) oder D+ (DP) getoggelt werden.

Lademodi über USB

  • DCP: Dedicated Charging Port (Ladefunktion ohne Datenkommunikation)
  • CDP: Charging Downstream Port (1-3 A mit Datenkommunikation)
  • SDP: Standard Downstream Port (0,5 A mit Datenkommunikation)
  • Individuelle Protokolle und Laden über SMBus oder OTP

Beim Eintritt in den Rapid-Charge-Modus geht der USB2534 in den SE1-Lademodus und stellt am Port die SE1-Spannungspegel bereit. Wird ein SE1-Gerät angeschlossen, erkennt es die SE1-Pegel passiv und die Batterie wird geladen. Der DCP kann die Anwesenheit des SE1-Geräts nicht erkennen. Der Port verbleibt im SE1-Lademodus, während der SE1 PD das Laden ermöglicht.

Wird ein BC1.2-Gerät angeschlossen, ist dessen Strom stark genug, die D–Leitung auf Low zu ziehen. Auch ältere Geräte ziehen D- auf Low, sobald sie zum Laden angeschlossen werden. Um Verwechslungen zu vermeiden, geht der Downstream-Port in den herkömmlichen Lademodus über, wenn der klassische D–Leitungsstatus als Low erkannt wird. Dieser Status wird entprellt, um eine Fehlerkennung beim Anschluss des Geräts zu vermeiden. Der herkömmliche Lademodus ist in Bild 5 dargestellt.

Die Lade-Enable-Ports verlassen den DCP-Modus und gehen in den CDP-Modus über, wenn der Upstream-Port an den Host angeschlossen wird. Beim Erkennen des USB-Host-Befehls zum Setzen der Adresse wird jeder BC-Enabled-Port für mindestens 250 ms abgeschaltet, damit der Port-Strom absinken kann. Sendet der Host einen Befehl, den Port-Strom einzuschalten, wird dieser Befehl entsprechend verzögert. Geht der Befehl nach dem Ablauf des Timers ein, wird er sofort ausgeführt.

Bild 5: Ablauf des herkömmlichen Lademodus über USB.

Bild 5: Ablauf des herkömmlichen Lademodus über USB.Microchip

Eine externe MCU kann die automatische Ladeerkennungssequenz überschreiben, indem sie die SMBus-Laufzeit-Laderegister modifiziert. Da der Beginn der Ladeerkennung voreingestellt ist, muss die MCU in das Ladesteuerregister oder Konfigurations-Interlock-Register schreiben, um die automatische Sequenz zu deaktivieren, bevor die Sequenz beginnt. Ist die automatische Sequenz deaktiviert, kann die MCU diese immer noch selber initiieren.

Ladeprotokolle des USB2534

Das Laden tragbarer Geräte wie Mobiltelefone und Tablets über USB ist heute äußerst bequem. Das USB-IF veröffentlichte dafür die Batterielade-Spezifikation BC1.2, um das Protokoll zwischen Ladeeinrichtung und aufzuladendem Gerät zu standardisieren und einen sicheren Ladevorgang zu gewährleisten. Der Hub-Controller USB2534 mit Rapid-Charge unterstützt Ladeprotokolle für ältere Geräte, SE1, Chinese Telecommunications Industry YD/T 1591-2009 und USB-IF BC1.2 und somit Geräte von Apple, Samsung und weiteren. Der Hub-Controller unterstützt auch die Ladeerkennung in mobilen Geräten, die eine USB-Ladeerkennung benötigen.

Der Beitrag basiert auf technischen Unterlagen von Microchip.