Warum geht der USB-Anschluss meines Computers nicht kaputt, wenn ich ein 2A-Gerät anschließe?

Bei typischen AC-DC-Netzteilen verstehe ich, dass das Gerät den Strom, den es benötigt, aus dem Adapter bezieht. Wenn es mehr zieht, als der Adapter liefern kann, kann dies zu einer Überhitzung und zum Bruch des Adapters führen.

Danach ... Ich lade mein Telefon oder Tablet immer mit 1A-USB-Ladegeräten oder an normalen PC-USB-Anschlüssen auf, aber ich habe noch nie einen defekten USB-Anschluss als Folge davon erlebt.

Meine Frage ist:

  • Verfügen USB-Ports oder -Geräte normalerweise über einen Mechanismus zur Stromregulierung, um eine Überlastung der Ports zu vermeiden?

Ich denke hauptsächlich an Geräte, die über USB aufgeladen werden.

Was ist das „2A-Gerät“, auf das Sie sich im Hauptteil Ihrer Frage beziehen? Handy und Tablet? Auch wenn Sie sagen: "Wenn es mehr zieht, als der Adapter liefern kann, kann dies zu einer Überhitzung und zum Bruch des Adapters führen." Dies ist höchstwahrscheinlich nur bei sehr billig hergestellten Adaptern der Fall, die die Leistungsaufnahme nicht aushandeln können und daher mit voller Kapazität arbeiten und somit ausbrennen. Beispielsweise wird ein iPad mit einem 12-V-Adapter geliefert, kann aber dennoch mit einem 5-V-Adapter aufgeladen werden. Nur dieser 5-V-Adapter lädt es langsamer als der 12-V-Adapter.
Sie können nicht mehr Strom ziehen, als der Port liefern kann. (Es ist möglich, dass der Hafen mehr liefert, als er sicher liefern könnte).
Als ich "typische AC-zu-DC-Netzteile" sagte, meinte ich Nicht-USB-Adapter. Das war meinerseits unklar, also sorry dafür. Die Wurzel der Frage liegt in meinen Erfahrungen mit dem Zerbrechen von Laptop-Ladegeräten, weil ich nicht zuerst die Verstärkerversorgung überprüft habe und mich gefragt habe, warum dieses Prinzip nicht für (die meisten) von mir verwendeten USB-Geräte gilt. Wie von Ihnen @JakeGould und in der akzeptierten Antwort erwähnt, ist die Kenntnis des ausgehandelten Stromverbrauchs im USB-Protokoll die grundlegende Information, die mir gefehlt hat, da die Bestätigung der Existenz dieses Mechanismus und seiner spezifischen Details die Frage ist.
@Bergi Aber wenn ein billiges USB-Netzteil nur mit voller Leistung arbeitet, wird es definitiv eher früher als später aussterben.

Antworten (4)

Um mit dem ursprünglichen Standard kompatibel zu sein, sollten USB-Geräte nicht mehr als 100 mA ziehen (was für die Stromversorgung der Logikschnittstelle ausreicht), bis sie mit dem Host verhandelt haben, um herauszufinden, was er liefern kann. Nach erfolgreicher Verhandlung können sie bis zu 500mA ziehen. Dies soll den Betrieb eines 4-Port-Hubs schützen, falls er an einen PC angeschlossen ist, an dem alle nachgeschalteten Geräte bereits angeschlossen sind.

Nicht alle USB-Geräte entsprechen dem Standard, ziehen aber trotzdem den vollen Strom, USB-Spielzeuge tun dies normalerweise. Die meisten PCs liefern sowieso 500 mA, also funktioniert im Allgemeinen alles.

Dumme Netzteile halten ihre Datenleitungen im Allgemeinen in bestimmten Zuständen, um dem zu ladenden Gerät zu signalisieren, dass es sich um ein Netzteil mit einer bestimmten Fähigkeit handelt. Spätere Standardrevisionen ermöglichen es USB-C und PCs, höhere Ströme und höhere Spannungen (eek!) auszuhandeln.

USB 3.0-Geräte können aushandeln, um bis zu 900 mA zu ziehen .
Es gibt auch Fail-Fälle, die zu einem übermäßigen Draw führen können. Ich habe nicht versucht, es zu demontieren, um die Ursache zu finden, aber nach einem Jahr guter Funktion ging kürzlich ein USB-A-zu-C-Kabel kaputt und löste Alarme bei übermäßiger Stromaufnahme aus, wenn ich es an meinen Laptop oder meine Dockingstation anschloss .
* "bis sie mit dem Host verhandelt haben, um herauszufinden, was er liefern kann. Nach erfolgreicher Verhandlung können sie bis zu 500 mA ziehen. *" - Sie wiederholen hier einen weit verbreiteten Irrtum. Das USB-Gerät "verhandelt" nicht mit dem Host und "findet nicht heraus, was es liefern kann", es informiert den Host nur darüber, was es benötigt. Diese Informationen befinden sich in Gerätedeskriptoren. Der Host lässt dann entweder das Gerät zu oder stoppt den Aufzählungsprozess und weist das Gerät zurück (in seltenen Fällen von Hubs mit Busversorgung oder Hosts mit geringer Leistung). Das Power Delivery-Protokoll, das völlig unabhängig von USB ist, ist eine andere Sache.

Historisch:

  • wirklich alte Mainboards verbinden USB-Stromanschlüsse ohne Schutz mit der 5-V-Stromschiene
  • Einschalten durch Tastendruck wurde hinzugefügt, wodurch ein Jumper oder eine BIOS-Einstellung hinzugefügt wurde, die entschied, ob USB-Ports aus dem Standby-Strom oder aus der regulären 5-V-Schiene gespeist werden. Da die Standby-Stromversorgung in ATX eingeführt wurde, gibt es diese auf AT-Mainboards nicht.
  • Den Root-Hubs wurde eine USB-Port-Leistungssteuerung hinzugefügt, die es dem Host ermöglicht, die Stromversorgung der Ports programmgesteuert auszuschalten (wobei der Hub-Controller einen externen „Leistungs“-FET schaltet). Diese versorgen die Ports mit viel Strom und haben keinen sinnvollen Schutz, abgesehen davon, dass der FET als Strombegrenzer verwendet wird, was im Allgemeinen eine schlechte Idee für längere Zeit ist, da diese normalerweise nicht gekühlt werden.
  • Der Steuer-FET wurde später in den Root-Hub integriert, als sich die Herstellungsprozesse bis zu einem Punkt verbesserten, an dem Sie einige hundert mA durch einen ansonsten logischen IC leiten konnten. Dieses Setup hat eine geringere Strombelastbarkeit, und das Kurzschließen von USB-Anschlüssen zerstört normalerweise den Southbridge-IC und/oder verursacht einen Neustart.
  • Stromüberwachung und Notabschaltung wurden den Steuerungen hinzugefügt sowie Prozesse erlaubt.

Es gibt auch einige ältere Mainboards, die die Stromüberwachung als diskrete Komponenten implementieren (was die Boardkosten erhöht, aber robuster macht), aber bei Consumer-Boards sollten Sie den billigstmöglichen Ansatz erwarten.

Einige moderne Boards verwenden auch die gleiche Art von integriertem Spannungs-/Stromregler, der normalerweise CPU- und Chipsatzleistung bereitstellt, um andere Schaltkreise zu steuern, da diese ICs so billig sind, dass das Duplizieren der Logik um sie herum genügend technischen Aufwand spart, um sie zu einem guten Konkurrenten zu machen " dumme" FETs. Auf solchen Boards könnten Sie wahrscheinlich genau 2.000 A ziehen, aber die aktuelle Überwachung und Berichterstattung kann begrenzt sein, da die Kommunikation zwischen dem USB-Root-Hub und dem Leistungsregler nur aus „Aktivierungs“- und „Fehler“-Signalen besteht.

+1 für die Erinnerung, dass USB1.0- und AT-Motherboards sich tatsächlich für ein sehr kurzes Fenster im aktiven Dienst treffen mussten. Ich habe persönlich noch nie ein AT-Motherboard mit einem USB-Anschluss gesehen ... was für ein Einhorn müssen das sein!
@J ... Habe einmal einen Compaq damit gesehen. Es war auch älter als Windows 95 OSR2, das als erstes „Unterstützung“ dafür implementierte. Vergessen Sie das Plug-and-Play Ihres USB-Sticks! Installieren Sie Treiber und booten Sie mit angeschlossenem Gerät, und vielleicht würde es funktionieren. Die guten alten Tage!
@winny War das zufällig ein Compaq Presario 4505? Ich hatte diese Maschine. :-)
Dies ist eine sehr ungenaue Darstellung der Leistungssteuerung des USB-Anschlusses. Die Ein-/Ausschaltsteuerung befand sich immer in den ICs des Hub-Controllers, ist jedoch bei USB optional. Die Integration von Leistungssteuerungs-FETs in „Root Hub“ ist Unsinn: Leistungselektronik erfordert sehr unterschiedliche Technologien und Knotenfunktionen, um Hunderte von mAmps zu übertragen, und tiefe Submikron-Digitaltechnologie kann sich kein Mischen leisten. Die Leistungssteuerung wurde in der Industrie immer als eigenständige High-Side-Schalter implementiert. Dieser Beitrag ist größtenteils irreführend. -1.
@Brad Nein, lange davor. Schreibtisch. 100 oder 133 MHz.

Meine Frage ist:

  • Verfügen USB-Ports oder -Geräte normalerweise über einen Mechanismus zur Stromregulierung, um eine Überlastung der Ports zu vermeiden?

Die Antwort ist ja, das tun sie.

USB enthält ein ziemlich ausgeklügeltes Protokoll, das es Geräten und Hosts ermöglicht, die Strommenge auszuhandeln, die das Gerät verwenden kann.

Das ist formal falsch. USB enthält keine Verhandlungsprotokolle, sondern nur Informationen. Sie meinen anscheinend BatteryCharging (BC1.2) oder PowerDelivery (PD over Type-C) Spezifikationen, sie liegen vollständig außerhalb des Haupt-USB-Protokolls.

Warum geht der USB-Anschluss meines Computers nicht kaputt, wenn ich ein 2A-Gerät anschließe?

Und

Verfügen USB-Ports oder -Geräte normalerweise über einen Mechanismus zur Stromregulierung, um eine Überlastung der Ports zu vermeiden?

Ja, USB-Anschlüsse haben einen Mechanismus, aber nicht um den Strom zu "regulieren", sondern um USB-Anschlüsse vor Überstrom zu schützen . Überstrom führt zum Trennen des Ports, nicht zum "Regulieren".

Und (nicht "oder") USB-Geräte (mit internen Batterien) verfügen normalerweise über einen Mechanismus namens "Port-Signatur-Erkennung", der ein USB-Gerät dazu bringt, den Strom nicht zu "regulieren", sondern den Strom zu begrenzen, den das Gerät von einem Port nimmt. Wenn es sich bei dem Anschluss um einen normalen USB-Datenanschluss handelt, begrenzen angeschlossene Geräte ihren Verbrauch auf 500 mA (und auf 900 mA, wenn das Gerät einen USB 3.0-Anschluss erkennen kann).

Aus diesem Grund gehen Ihre Computeranschlüsse nicht kaputt, denn das „2-A-Gerät“ kann dies erkennen und wird zu einem „500/900-mA-Gerät“.

Wie gut funktioniert der Überstromschutz (beschränken wir uns auf USB 2.0- oder 3.0-Anschlüsse an PCs)? Sollte ich dies als "meine Ports schützen sich selbst vor Beschädigung" ansehen oder sollte ich dennoch etwas Wachsamkeit üben, bevor ich ein Gerät anschließe, das möglicherweise eine hohe Last hat (z. B. hohe Last == 2 A) und von dem ich vermute, dass es möglicherweise nicht konform ist nach USB-Standard.
@RTbecard, normalerweise schützen die Mainstream-PC-Mainboards ihre USB-Ports durch billige Polyfuses (rücksetzbare Sicherungen), und teurere (Business-Class) PCs haben Ports mit überstromgeschützten High-Side-Schaltern. Normalerweise wird die Abschaltung auf etwa 0,8-0,9 A für USB 2.0-Ports oder ~ 1,5 A für USB 3.0-Ports eingestellt. Einige Platinen haben eine Mehrfachsicherung für zwei oder mehr Ports, sodass Sie möglicherweise 2-3 A von einem einzelnen Port haben. Kein Hersteller möchte dafür haftbar gemacht werden, dass Ihr PC in Flammen aufgeht, also tun sie angemessene Arbeit, um ihr Geschäft vor Müllgeräten und anderen Experimentatoren zu schützen.
Warum geht der USB-Anschluss meines Computers nicht kaputt, wenn ich ein 2A-Gerät anschließe?
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