Schalten Sie einen Stromkreis korrekt über USB aus

Ich möchte ein Gerät über USB richtig mit Strom versorgen (2,4-A-USB-Powerbank https://www.amazon.com/Anker-20100mAh-Portable-Charger-PowerCore/dp/B00X5RV14Y/ref=sr_1_3?ie=UTF8&qid=1512261941&sr= 8-3 ) bestehend aus:

  • Ein billiger Power-Only-USB-Y-Splitter
  • Raspberry Pi Zero
  • Ein Aufwärtswandler von 5V USB auf 12V
  • 4 LEDs in Reihe
  • Ein ULN2003A zur Steuerung eines unipolaren Schrittmotors
  • Eine Art grafische Ausgabe (OLED/Character LCD)

Addiert man alle jeweiligen Stromwerte zusammen, ergibt sich der max. Stromaufnahme meines Gadgets sollte sein:
180mA RPi Zero + 500mA LEDs (384mA für perfekte Transformation, ich nahm 75% Effizienz an) + 165mA Schrittmotor + 165mA Zeichen-LCD = 1010mA Gesamtstromaufnahme.

Was ich bisher weiß:

Nachdem ich mich mit der USB-Spezifikation beschäftigt habe (und von ihr überwältigt war), habe ich festgestellt, dass USB unter bestimmten Umständen 5 V bei 1,5 A (oder sogar mehr) liefern kann.

Früher gab es anscheinend eine Art Handshake-Prozess (Enumeration/Negotiation/...), der notwendig war, um >100mA zuzulassen. Ich habe einen Artikel gefunden, der einige Aspekte des USB-Ladens erklärt: http://www.electronicdesign.com/interconnects/introduction-usb-power-delivery

Es ist wichtig zu beachten, dass BC-1.1 als Engineering Change Notice (ECN) für USB 2.0 veröffentlicht wurde und erheblich von den Sanktionen von USB 2.0 abwich. Gemäß USB 2.0 kann jedes USB-Gerät entweder als Low Power (5 V @ 100 mA) oder High Power (5 V @ 500 mA) klassifiziert werden. Beim Anschluss durfte ein USB-Gerät zunächst 100 mA Strom ziehen, während es sein Strombudget aufzählte und mit dem Host aushandelte. Basierend auf der Aufzählung würde der Host die Leistungsabgabe entweder auf 2,5 W erhöhen oder bei 0,5 W fortfahren.

Die Batterieladespezifikation definierte weiter mehr Stromquellen als oben empfohlen:

  1. Standard Downstream Port (SDP): Stromquelle kompatibel mit USB 2.0 Spec.

  2. Lade-Downstream-Port (CDP): Stromquelle nicht kompatibel mit USB 2.0. CDP kann bis zu 7,5 W (5 V, 1,5 A) liefern, und der 1,5-A-Strom kann vor der Aufzählung geliefert werden.
    ...

  3. Dedizierter Ladeanschluss (DCP): Hier gibt es keine Aufzählung, und das Laden erfolgt ohne digitale Verbindung. DCP liefert bis zu 1,5 A und 5 V.

Es gab schon einmal eine ähnliche Frage ( "dumme" Stromversorgung von USB ), aber SDP und CDP werden nicht erwähnt. Anscheinend können Sie den CDP-Modus erreichen, indem Sie die Datenleitungen kurzschließen.

Meine Frage:

  1. Kann ich die volle 5V 1,5A (oder sogar 1,8A) Leistung von einem idealen (100% USB-Standard-konformen, protokollbefolgenden) Port ohne ausgefallene Aufzählung/Registrierung/...
  2. Kann ich die volle 5-V-1,5-A- (oder sogar 1,8-A-) Leistung von einem Port aus der realen Welt (einer anständig kräftigen Powerbank wie der Anker im Amazon-Link) ohne ausgefallene Aufzählung / Registrierung / ...
  3. Falls ich verhandeln muss, könnte der Pi es nicht einfach im Namen beider Seiten des Y-Splitters handhaben (sie enden in einem Micro-USB-Anschluss, sodass die Powerbank nicht einmal wissen sollte, dass sich das Kabel irgendwo stromabwärts aufteilt ...

So will ich es verkabeln:Meine beabsichtigte Verkabelung

Eigentlich müssen Sie für das Anker-Zeug wahrscheinlich in die Schnellladespezifikation schauen. Ich weiß, dass einige ihrer Geräte es verwenden. qualcomm.com/products/features/quick-charge Ich wäre schockiert, wenn die Ladegeräte einen USB-Host-Controller hätten, der einen Handschlag erfordert.
USB-Powerbanks implementieren überhaupt keine USB-Signalisierung, aber die Boost-Konvertierung ist hier wahrscheinlich ein Fehler. Suchen Sie nach einem ausgereiften ~ 12-V-Paket und verwenden Sie einen Schaltregler, um die 5-V-Lasten damit zu versorgen.
Von einer realistischen Powerbank können Sie ohne Verhandlungen den vollen Strom erhalten. Wenn es mehrere Ports mit jeweils einer Strombegrenzung auf dem Etikett hat, waren bei allen, die ich ausprobiert habe, die Ports nur parallel geschaltet, sodass Sie wahrscheinlich die volle Begrenzung von einem Port erhalten können.
@ChrisStratton Ich wünschte, ich könnte das, aber ich brauche wirklich die Fülle von USB. Mein Gerät wird unterwegs verwendet, daher wäre das Tragen meiner normalen Powerbank UND einer dedizierten 12-V-Powerbank ein großer Schmerz. Ist der 5V -> 12V Aufwärtswandler Ihrer Meinung nach nur eine nicht optimale oder eine völlig falsche Lösung?

Antworten (2)

Du gehst das Problem verkehrt herum an.

Erstens werden alle BC/QC-Ladeprotokolle usw. hauptsächlich für GERÄTE verwendet, damit die Geräte die Quellenfähigkeit verstehen und sich dann intern selbst konfigurieren können , um ihren Verbrauch an der Quelle auszurichten. Es könnte eine weitere Stufe geben, um den Spannungspegel auszuhandeln, aber in diesem Fall müssen Anbieter und Verbraucher dasselbe Protokoll/denselben Standard verwenden.

Die ANKER Powerbank ist nur eine Quelle von 5 V 2,4 A. Sie folgt nicht einmal irgendwelchen angekündigten Standards. Ihr "PowerIQ" ist absoluter Blödsinn .

( Haftungsausschluss: Früher gab es Ideen für intelligente Ladegeräte, die den beworbenen Standard ändern und den „besten“ basierend auf der maximalen Stromaufnahme auswählen sollten. Das Problem ist, dass Telefone auch eine gewisse Intelligenz verwenden und je nach Zustand des Akkus unterschiedliche Ladungen aufnehmen laden, damit der Algorithmus nicht konvergiert. Diese "Ladegeräte" funktionieren möglicherweise etwas besser als die dummen, aber keine Garantie).

Wenn Sie also die Anker Powerbank haben, müssen Sie nichts tun, teilen Sie einfach die Leistung auf, wie Sie selbst vorgeschlagen haben.

Zu Ihren konkreten Fragen,

(1) Nein, Sie können nicht sicher sein, dass Sie an jedem USB-Anschluss (Legacy Type-A) 1,5 A ziehen können. Während Sie normalerweise viel mehr als das tun können, haben einige Anschlüsse möglicherweise Strombegrenzungen für 500-600- 900 mA, sodass der Port Überstrom erkennt und abgeschaltet wird; [Ein 100 % USB-Standard-konformer, protokollkonformer Anschluss mit 1,5 A-Fähigkeit muss speziell als „Ladeanschluss“ ausgelegt und explizit als solcher gekennzeichnet sein.]

(2) Ja, wenn eine Bank über 1,8 A (z. B. 2100 mA) bewertet ist, können Sie ohne große Vorbehalte sicher 1,8 A daraus ziehen;

(3) Da dies ein Fall ist, in dem Sie nichts tun müssen, ist die Frage strittig. Aber nein, Pi-3 oder was auch immer kann keine der "Verhandlungen" bewältigen, selbst wenn die Bank einem intelligenten Ladestandard folgt. Erstens hat der Stromversorgungsanschluss am Pi keine Verbindungen zu den D + / D- Pins. Zweitens, um Verhandlungen einzuleiten, benötigen Sie ein spezielles IC, das dafür ausgelegt ist.

Tatsächlich wenden viele Quallcom-basierte Androids eines von mehreren QC-Protokollen an, und mein Telefon wird mit 12 V (oder vielleicht sogar einer höheren Spannung?) in 1 Stunde von 5 % auf 85 % auf einem QC2.0-Ladegerät und/oder dem Kompatiblen aufgeladen Powerbank, aber dauert mehr als 3 Stunden für dasselbe auf einer billigen, weinerlichen 2,4-A-Powerbank. Das ist jedoch nur eine Nebenbemerkung zu Ihrem Randgedanken und soll nicht von anderen Elementen ablenken.
@Asmyldof, ja, wenn in ein Gerät und ein Ladegerät ein QC-Protokoll eingebettet ist, "verhandeln" sie eine höhere Spannung und laden daher Ihr QC-fähiges Gerät ziemlich schneller auf. Inwiefern ist es also eine Überraschung und inwiefern widerspricht es meiner Antwort? Außerdem wenden sie nicht "mehrere QC-Protokolle" an, das Protokoll ist nur eines, QC, derzeit in Version 4+, das abwärtskompatibel mit den Versionen 3.0, 2.0 und 1.0 von QC ist.
@AliChen Vielen Dank für deine Antwort, es hat die Sache wirklich geklärt! Nehmen wir an, ich würde meine Vorrichtung an einen nicht unterstützenden USB-Anschluss anschließen (z. B. eine <1A-Powerbank oder einen USB-Anschluss von einem Laptop), würde ich riskieren, die Bank / den Laptop aufgrund von Überstrom zu beschädigen (ich denke, es hängt davon ab, ob es hat eine Art Überstromerkennung eingebaut) oder wäre mein Gerät einfach zu schwach?
@iMrFelix, wenn Sie versuchen, mehr als 500-900 mA Strom von einem normalen (nicht aufladenden) USB-Anschluss mit implementierter Leistungsumschaltung zu erhalten, wird der Anschluss einfach heruntergefahren und das Betriebssystem zeigt eine Popup-Meldung „Port overcurrent ". Es könnte elektronisch geschützt werden, von einer rückstellbaren "Polyfuse" kann ausgelöst werden, und sich später erholen. Es kann vorkommen, dass die Spannung einfach absackt und Ihr Pi Zero wahrscheinlich nicht richtig funktioniert. Ich erwarte keinen Schaden an allem, was über den Einzelhandel erworben wird.
@AliChen Cool, noch eine Frage und ich denke, danach bin ich fertig (es ist eher eine subjektive Frage): Wenn ich mein Gadget kommerzialisieren würde, wäre es in Ordnung, es so zu betreiben, wie ich es jetzt habe (von a Sicherheit/Regulierung/Best Practice/können nicht verklagt werden, weil sie ihr Haus in Brand gesteckt haben - Standpunkt)? Den USB-Port würde ich aufgrund seiner Fülle gerne behalten, aber der interne Y-Splitter würde durch eine starrere Lösung ersetzt werden. Es würde auch einen Haftungsausschluss enthalten, dass es nur mit Powerbanks mit einer Leistung von> 1,8 A betrieben werden darf. Vielen dank für Ihre Hilfe!

Auch wenn ich zu müde und schläfrig bin, um die Spezifikationen zu öffnen und einige Details nachzuschlagen, auf die ich mich beziehen kann, wurde dieser Kommentar zu uninteressant und zu lang, also poste ich ihn, obwohl er sich eher wie ein Kommentar anfühlte als antwort jetzt. Mach damit, was du willst;

Im Grunde läuft Ihre Frage darauf hinaus, denke ich:

"Brauche ich Verhandlungen für ganz bestimmte Situationen?" (z. B. zu wissen, dass es definitiv immer an ein DCP angeschlossen sein wird)

Was ich für ein "Nein" halte, ohne die Standarddokumente und Richtlinien zu öffnen, die ich herumliegen habe.

Gefolgt von:

"Um es überall ohne Schaden anschließen zu können, muss ich verhandeln?"

Was sicherlich ja ist, obwohl mit moderner Hardware tatsächlich bleibende Schäden unwahrscheinlich sind.

Zuletzt:

Ihr Pi Zero kann möglicherweise die Verhandlung durchführen, wenn dieser über einen Atmel (oder einen anderen Chip auf einem anderen Board) mit eingebautem USB verfügt, für den die richtigen Treiber geschrieben werden können. Es kann eine lästige Aufgabe sein, herauszufinden, ob eingebaute Stacks für erweitertes Energiemanagement verwendet werden können und wie, und ich bin mir sicher, dass es irgendwo einen halbwegs anständigen Chip für nicht zu viel Geld gibt, um dies zu tun. Wahrscheinlich mit SPI- oder I2C-Bus zur Konfiguration. Sicherlich hat jemand sogar ein Board damit gemacht, aber das ist möglicherweise schwieriger zu finden.

Danke für die Eingabe! Nur damit ich Sie richtig verstanden habe: Obwohl ich für meinen speziellen Fall keine Verhandlung brauche, könnte ich es, wenn ich es an eine andere Quelle anschließen würde (z. B. einen normalen USB-Anschluss von einem PC anstelle einer >2A-Powerbank). Schaden riskieren?