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USB POWER DELIVERY

(USB PD)

  

Inhaltsverzeichnis

1.Allgemeines

War der USB-Anschluss früherer Generationen lediglich eine Datenschnittstelle über die man auch eine begrenzte Versorgungsspannung für ein Gerät liefern konnte, so hat sich dies praktisch umgekehrt. USB ist die Schnittstelle für Betriebsspannung und Ladestrom und ist an Ladegeräten, in Autos, Flugzeugen und Wandkonsolen zu finden. Der hohe Strombedarf von vielen Geräten übersteigt jedoch das, wofür USB ursprünglich spezifiziert wurde. So war z.B. der Ausgangsstrom eines Downstream-Ports unter:

  • USB 1.0 auf 5 x 100 mA bei 5 V (= 2,5 W),
  • USB 2.0 auf 500 mA bei 5V (=2,5 W),
  • USB 3.0/3.1 Gen 1 auf 900 mA bei 5 V (= 4,5 W) über Powered-B-Verbinder

begrenzt. Geräte, die mehr Strom benötigten, wurden folglicherweise aus proprietären Netzteilen oder "illegalen" USB Y-Kabel (mit zwei A-Steckern und einem B-Stecker) versorgt.

Abb. 1.01: "Illegales" USB-Y-Kabel zum Anschluss einer externen 2,5''-Festplatte an zwei Standard USB-A Buchsen
Abb. 1.01: "Illegales" USB-Y-Kabel zum Anschluss einer externen 2,5''-Festplatte an zwei Standard USB-A Buchsen

Die die USB 2.0-Spezifikation ergänzende USB Battery Charging Specification (“USB BC”, veröffentlicht im August 2007 und Dezember 2010) erlaubte eine Leistung von 7,5 W (5 V, 1,5 A). Dieses führte dazu, dass z.B. immer mehr Mobiltelefone und Digitalkameras über USB geladen werden konnten. Ein Betreiben von Laptops, Monitoren oder Druckern war allerdings immer noch nicht möglich. Die im Juli 2012 erschienene Spezifikation USB Power Delivery 1.0 sollte dieses Manko beenden indem bis zu 100 W über eine einzige USB-Verbindung verteilt werden dürfte.
Die Softwaresteuerung von USB Power Delivery ermöglicht es Paaren von Geräten Spannung, Strom und die Richtung des Stroms in einem USB-Kabel auszuhandeln.

Alle USB-Power Delivery Spezifikationen enthalten auch die Beschreibung der Power Management Prozesse von USB 2.0 und USB 3.0 / 3.1. Gen. 1! Informationen hierzu sind in den entsprechenden Artikeln zu finden.

2. USB Power Delivery 1.0 (Entwurf)

Der Entwurf zur USB Power Delivery 1 erlaubt eine maximale Spannung von 20V und einen maximalen Strom von 5A, was eine maximale Leistung von 100 W ausmacht. Die Eigenschaften der Quellen sind in fünf Profilen organisiert (siehe Tabelle 2.01).
Wird ein Gerät an einen Host (= Quelle) angeschlossen, wird zunächst das Startprofil Profil 1 (10 W) verwendet. Nun kann zwischen Gerät und Host eine Leistungsklasse ausgehandelt werden. Je nach gewähltem Profil stellt der Host die entsprechende Leistung zur Verfügung.

Tabelle 2.01: Die  Eigenschaften der Quellen sind in Profilen organisiert.
Tabelle 2.01: Die Eigenschaften der Quellen sind in Profilen organisiert.

Im Gegensatz zu früheren Generationen von USB verwendet Power Delivery nicht die USB-Datenleitungen zum Aushandeln des Profils, sondern ausschließlich die VBus-Leitung oder einen separaten Configuration Channel (ein Einleitungsbus). Dieses hat den Vorteil, dass der USB 2.0 Datenbus nicht beeinflusst wird und Geräte auch während des Ladevorgangs ungestört Daten übertragen können.

Die in der Spezifikation USB-Power Delivery 1 beschriebenen Techniken sind zuerst mit der Spezifikation zu USB 3.1 Gen. 2 als USB-Power Delivery 2 umgesetzt worden, da erst hier die notwendigen Steckverbinder und Kabel definiert wurden.

3. USB Power Delivery 2.0 (USB 3.1 Gen. 2)

Abb. 3.01: Logo USB SuperSpeedPlus [<a href="usb_power_delivery.html#R1">1</a>]
Abb. 3.01: Logo USB SuperSpeedPlus [1]

Die wichtigsten neuen Merkmale von USB 3.1 Gen. 2 sind:

  • Die Datenrate wird von 5 GBit/s (SuperSpeed) auf 10 GBit/s (SuperSpeedPlus/SS+) erhöht.
  • Das neue Power Management USB Power Delivery 2.0 (USB PD 2.0) wird eingeführt. Der maximal erlaubte Ladestrom wird auf 5 A erhöht. Die Ladespannung kann bis zu 20 V betragen. Das bedeutet, dass auch Geräte mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 100 W über ein USB 3.1-Kabel versorgt werden können. Über ein softwaregesteuertes Kommunikationsverfahren kann erkannt werden, was für ein Gerät angeschlossen ist und wie viel Lade- bzw. Betriebsstrom/-spannung zulässig ist.
  • Die erhöhten Datenraten und auch die erlaubten hohen Ströme sind über die konventionellen USB-Steckverbinder nicht zu realisieren. Daher wird ein neuer Steckverbindertyp, der USB Type-C (auch USB-C), eingeführt.

3.1 USB Typ-C-Verbinder Grundlagen

Um den flachen Dimensionen moderner mobiler Geräte gerecht zu werden, ist der USB-C-Verbinder mit 2,56 x 8,34 mm noch kleiner als die bei USB 3.1 Gen 1 verwendeten Micro-USB-Verbinder.
USB-C-Verbinder
haben zwei Reihen mit jeweils 12 Kontakten. C-Stecker und C-Buchsen sind horizontal und vertikal spiegelsymmetrisch. Somit kann ein Stecker in zwei Positionen in eine Type C- Buchse eingeführt werden. Da ein Standard USB Type-C-Kabel immer an beiden Enden einen Type-C-Stecker hat, kann ein Kabel nicht mehr falsch eingesteckt werden.

Abb. 3.02: USB Type-C-Stecker und Kupplung
Abb. 3.02: USB Type-C-Stecker und Kupplung

Um die hohen Ströme, die bei USB Power Delivery auftreten dürfen, übertragen zu können, verteilen innere elektrische Verbindungen den Strom von VBUS auf vier Kontakte. Das gleiche gilt für die Masse GND. Der USB C-Stecker hat zwischen den Kontaktreihen eine Masseplatte, die mit den zwei seitlichen Halteklammern verbunden ist. Beim Einstecken in die USB C-Buchse rasten die Halteklammern des Steckers in die seitlichen Aussparungen der mittleren Masseplatte der Buchse ein. Dadurch entsteht eine solide mechanische und elektrische (Masse-) Verbindung.

Tabelle 3.01: Pinbelegung der USB-Type-C-Buchse als Portanschluss
Tabelle 3.01: Pinbelegung der USB-Type-C-Buchse als Portanschluss

Eine detaillierte Beschreibung von USB Typ-C-Verbindern und Kabel finden Sie im Artikel USB 3.2 Gen. 2 / USB Typ-C.

3.2 Signale in einer USB 3.1 Gen. 2-Verbindung

Die Signale in einer USB 3.1 Gen. 2 -Verbindung lassen sich in fünf Gruppen aufteilen: SuperSpeed-Link, USB 2.0-Link, Konfiguration, Hilfssignale und Power.

Abb. 3.03: Signale in einer USB 3.1 Gen. 2-Verbindung
Abb. 3.03: Signale in einer USB 3.1 Gen. 2-Verbindung
SuperSpeed-Link

Der SuperSpeed-Link besteht aus zwei Paar abgeschirmten Twisted-Pair- oder Koaxialleitungen. Auf jedem Leitungspaar wird ein symmetrisches Signal in nur eine Richtung übertragen (= Dual Simplex-Verfahren). Das Signal ist mit einem 128b/132b-Leitungscode versehen.

USB 2-Link

Der USB2-Link stellt die Kompatibilität zur alten USB 2-Schnittstelle her. Der Link ist als einfaches, geschirmtes Twisted-Pair-Leitungspaar ausgelegt. Die Übertragung der Daten erfolgt im Halbduplex-Verfahren.

Configuration Channel / VCONN

Abhängig von der Orientierung des Steckers in der Buchse können die Pins A5 und B5 abwechselnd die Funktion des Configuration Channels (CC) oder der VCONN übernehmen. Über den Configuration Channel (CC) werden das Anstecken eines Kabels und die Orientierung des Steckers durch die CC-Logik detektiert. VCONN liefert dann eine Betriebsspannung für elektronisch markierte Kabel. So können die Portprozessoren und die Chips in den Kabeln untereinander SOP*-Nachrichten austauschen und einander die Rollen im System zuweisen.

Die CC1/CC2-Leitungen haben einen Mindestquerschnitt von 32 AWG (ca. 0,03 mm2).

SBU

Zwei Leitungen für Seitenbandübertragung (Sideband Use) und zur Übertragung von analogen Audiosignalen.

VBUS

Eine Leitung, die bis zu 5 A Ladestrom übertragen kann. Querschnitt ca. 20-28 AWG (ca. 0,08-0,52 mm2)

GND

Masse, eine oder zwei verzinnte Leitungen. Querschnitt ca. 20-28 AWG (ca. 0,08-0,52 mm2)

3.3 USB Type-C-Kabel Varianten und Typen

Im USB 3.1 Gen. 2-Standard sind nur zwei reine USB Typ C-Kabel vorgesehen:

  • Das Full Featured Cable (voll ausgestattetes Kabel)
    Für eine detaillierte Beschreibung siehe Artikel USB 3.1 Gen. 2 / USB-C
  • Das USB 2.0 Type-C-Kabel
    Für eine detaillierte Beschreibung siehe Artikel USB 3.1 Gen. 2 / USB-C

Zusätzlich sind Kabel erlaubt, die nur einen USB Type-C-Stecker haben. Das andere Ende des Kabels muss dann fest mit einem Gerät (Captive Cable Assembly) verbunden sein.

Um eine Interoperabilität zwischen mit USB C-Anschlüssen ausgestatteten Produkten und älteren USB-Produkten zu ermöglichen, sind einige gemischt bestückte Kabel und Adapter definiert worden.

3.4 USB Power Delivery-fähige Geräte

Damit zwei oder mehr USB-Geräte miteinander funktionieren können, müssen sie kommunizieren und entsprechend ihren Eigenschaften eine Funktion bzw. "Rolle" zugewiesen bekommen. Diese Kommunikation findet zwischen den USB Type-C-Schnittstellen, den Ports, statt. Ein Port besteht aus der Typ-C-Buchse, dem Port-Controller und einer diskreten oder integrierten Schaltermatrix. USB Type-C-Ports können in unterschiedlichen Konfigurationen auftreten:

  • UFP (Upstream Facing Port)
    Definiert die Position des Ports in der USB-Topologie. Ein UFP entspricht dem alten USB B-Port/Device/Senke.
  • DFP (Downstream Facing Port)
    Definiert die Position des Ports in der USB-Topologie. Ein DFP entspricht dem alten USB A-Port/Host/Quelle.
  • Source (Quelle)
    Definiert die augenblickliche Rolle des Ports als Stromquelle. Energiequellen können externe oder interne Netzteile, Akkus oder Batterien sein.
    Analog dazu ist eine Datenquelle ein Datensender.
  • Sink (Senke)
    Definiert die augenblickliche Rolle des Ports als Verbraucher (Stromsenke). Stromsenken können Energiespeicher wie Akkus oder Batterien sein. Sie können interne Funktionen und nachgeschaltete Geräte (z.B. busbetriebene Hubs) versorgen.
    Analog dazu ist eine Datensenke ein Empfänger.
  • DRP (Dual Role Power)
    Der Port kann als Stromquelle oder Verbraucher (Stromsenke) arbeiten.
  • DRD (Dual Role Data)
    Der Port kann sowohl DFP als auch als UFP arbeiten.

Die Rolle eines Ports kann während des Betriebes geändert werden. Auch ein gemischter Betrieb, z.B. die parallelen Rollen als Datenquelle und als Stromsenke ("Sinking Host"), ist möglich.

Abb. 3.04: Logische Struktur von USB Power Delivery-fähigen Geräten
Abb. 3.04: Logische Struktur von USB Power Delivery-fähigen Geräten

3.5 Kommunikationspfade bei USB PD

Der Austausch von Informationen zwischen zwei USB PD-fähigen Geräten erfolgt mittels zweier Methoden. Beide laufen über den Configuration Channel.

3.5.1 Hardware Start mit USB-Defaultladestrom

Werden zwei USB-Geräte direkt oder über ein Kabel verbunden, muss zuerst der maximale USB-Defaultladestrom und die Orientierung der C-Verbinder zueinander festgestellt werden. Dann können die Rollen im System ausgehandelt werden. Um diesen kleinsten gemeinsamen Nenner zu finden, sind alle USB-Geräte und Type-C-Kabel mit Kodierwiderständen auf den Leitungen des Configuration Channels (CC) versehen. Mit deren Hilfe können sich, rein auf Hardwarebasis, die Geräte und Kabel einander erkennen.

Abb. 3.05: Kodierwiderstände zum Erkennen des Verbindungsstatus.
Abb. 3.05: Kodierwiderstände zum Erkennen des Verbindungsstatus.
Erkennen des Verbindungsstatus

Eine Quelle/Host ist mit den Pullup-Widerständen oder Konstantstromquellen Rp gekennzeichnet. Die Impedanz bzw. der Strom aus Rp zeigen der Senke wieviel Ladestrom die Quelle liefern kann. Eine Senke ist mit einem Pulldown-Widerstand Rd markiert. Der Strom durch Rp und Rd erzeugt einen spezifischen Spannungsabfall, der von der CC-Logik über CC ausgewertet wird.

Bei elektronisch markierten Kabeln ist VCONN (die offene CCx-Leitung) in den Steckern mit jeweils 800 Ω abgeschlossen. Hieran erkennt eine Quelle, dass VCONN für die Versorgung der Chips in den Steckern benötigt wird.

Tabelle 3.02: CC-Impedanz Rp in der Quelle
Tabelle 3.02: CC-Impedanz Rp in der Quelle
Tabelle 3.03: CC-Impedanz Rd in der Senke
Tabelle 3.03: CC-Impedanz Rd in der Senke. Die in der Tabelle aufgeführten Spannungen werden bei der Übertragung von SOP*-Nachrichten von einem 300 kHz BMC-Signal überlagert [Siehe auch hier]

CC1 und CC2 können aus der Sicht einer Quelle drei Impedanzen annehmen: offen, Rd und Ra. Aus der Kombination der anliegenden Impedanzen kann die CC-Logik erkennen, ob etwas am Port angeschlossen ist, was angeschlossen wurde und in welcher Orientierung.

Tabelle 3.04: "Wahrheitstabelle" des Verbindungsstatus einer Quelle über Kodierwiderstände
Tabelle 3.04: "Wahrheitstabelle" des Verbindungsstatus einer Quelle über Kodierwiderstände

3.5.2 Aushandeln von Profil und Rolle

3.5.2.1 Logische Struktur von USB Power Delivery

Der reine Hardware-Start (Start mit 5 V auf VBUS) wird von Standard-Richtlinien gesteuert. Ein Software-Interface ermöglicht dann die Unterstützung komplexerer Richtlinien. Spannungen und Ströme werden von Quelle und Senke ausgehandelt. Quelle, Strom und Datenrichtung sind umkehrbar.
Abb. 3.06 zeigt die logische Grundstruktur von USB PD.

Abb. 3.06: Logische Grundstruktur von USB PD 2.0
Abb. 3.06: Logische Grundstruktur von USB PD 2.0
USB Type-C-Controller

Die Ports von Quelle und Senke sind entweder direkt oder über ein elektronisch markiertes Kabel miteinander verbunden. Der Hardware Start findet wie im Kapitel 3.5 beschrieben statt. Das nachfolgende Aushandeln der endgültigen Konfiguration beider Geräte findet ausschließlich über den Configuration Channel statt.

3.5.2.2 Prinzip der Datenübertragung
Bitübertragungsschicht

Die Bitübertragungsschicht (Physikal Layer) besteht aus einem Paar Sender und Empfänger, die über den Configuration Channel kommunizieren. Der Configuration Channel ist ein auf Masse bezogener Einleitungsbus mit niedriger Impedanz. Der CC wird auf zweierlei Weise zur Informationsübertragung genutzt. Der Gleichspannungspegel auf CC detektiert den Anschluss eines Gerätes und legt den Default-Ladestrom auf dem VBUS zwischen Quelle und Senke fest. Der Gleichspannung auf CC (abhängig vom Verbindungsstatus ca. 1,1 - 2V) wird dann ein Biphase Mark Coding- (BMC-) Signal mit einer Amplitude von 0-1,125 V überlagert. Die Übertragung von Daten erfolgt im Halbduplexverfahren mit 300 KB/s.

Abb. 3.07: Während der Übertragung von Nachrichten auf dem CC wird dessen Gleichspannungspegel (ca. 1,1 V - 2 V) von einem BMC-Signal überlagert. [<a href="usb_power_delivery.html#R3">3</a>]
Abb. 3.07: Während der Übertragung von Nachrichten auf dem CC wird dessen Gleichspannungspegel (ca. 1,1 V - 2 V) von einem BMC-Signal überlagert. [3]
Protokoll-Ebene (Protocol)

Die Protokoll-Ebene stellt eine verlässliche Kommunikation sicher, verwaltet die Wiederholungen von Verbindungsversuchen und die Signalisierung. Sie wird vom Regelwerk gesteuert.
In Quellen werden in der Protokoll-Ebene die Nutzdaten der zu übertragenden Nachrichten zusammengesetzt und an die Bitübertragungsschicht weitergegeben. In Senken empfängt die Protokoll-Ebene Nachrichten von der Bitübertragungsschicht, zerlegt sie und leitet die Nutzdaten an das Regelwerk weiter.

Lokales Regelwerk (Policy Engine)

Bestimmt die Richtlinien für den Betrieb eines einzelnen Ports. Interagiert mit den Protokollebenen und dem Richtlinienmanager.

Richtlinienmanager (Policy Manager)

Der Richtlinienmanager verwaltet gemeinsam genutzte Ressourcen des gesamten Systems und überwacht die reservierten und abgerufenen Energiemengen. Er interagiert mit den lokalen Regelwerken der einzelnen Ports, der Stromversorgung und dem Kabeldetektor im USB-C-Controller.

3.5.3 Die SOP*-Signalisierung

Die Datenübertragung auf dem CC wird als SOP*-Signalisierung bezeichnet. SOP steht für Start Of Packet. SOP ist ein hierarchisches Adressierungsschema. Abb. 3.08 zeigt die Struktur einer SOP*-Nachricht ("Message"). Man unterscheidet zwischen Control Messages und Data Messages.
Eine Nachricht besteht aus einer Präambel, einem 64-Bit Bitmuster auf das sich der Empfänger synchronisieren kann. Die mittlere Frequenz der Bitfolge ist die Trägerfrequenz.
Es folgt die SOP-Sequenz als Zieladresse für das Paket:

  • SOP ist eine Kommunikation zwischen Port-Partnern (DFP und UFP)
  • SOP' ist eine Kommunikation zwischen einem Port und dem darin eingesteckten Stecker eines elektronisch markierten Kabels.
  • SOP'' ist eine Kommunikation zwischen einem DFP und dem in den UFP eingesteckten Stecker eines elektronisch markierten Kabels.

Die Nutzdaten bestehen aus einem 16-Bit Header und aus bis zu acht Datenobjekten. Eine Prüfsumme zur zyklischen Redundanzprüfung kann eventuelle Übertragungsfehler aufzeigen. Ein End of Packet-Symbol schließt die Nachricht ab.

Abb. 3.08: Struktur der PD-Signalisierung
Abb. 3.08: Struktur der PD-Signalisierung
SOP-Kommunikation - Die Port-zu-Port-Kommunikation

SOP-Kommunikation dient der Port-zu-Port Kommunikation. Kommuniziert wird mittels SOP-Nachrichten auf dem CC (Configuration Channel). Diese Kommunikation wird ausschließlich von den Port-Partnern geführt und nicht mit den dazwischenliegenden Chips in den Kabelsteckern. Da alle die Spannungs- und Stromverteilung betreffenden Vorgänge schnellstmöglich zu erledigen sind, hat die SOP-Kommunikation Vorrang vor der SOP'- und der SOP''-Kommunikation. Nachrichtensequenzen, die Spannungs- und Stromverteilung betreffen, dürfen sogar andere Sequenzen unterbrechen, um die Priorität des Aushandelns und der Steuerung auf dem Bus zu gewährleisten.

Abb. 3.09: Prinzip eines elektronisch markierten Kabels (Full Featured Cable)
Abb. 3.09: Prinzip eines elektronisch markierten Kabels (Full Featured Cable)
SOP’/SOP’’-Kommunikation mit Kabelsteckern

SOP' ist die Signalisierung zwischen einem Port und dem darin eingesteckten Stecker eines elektronisch markierten Kabels. Ein Kabelstecker, der SOP'-Kommunikation beherrscht, darf nur mit Paketen kommunizieren, die mit SOP' beginnen. Eine Quelle oder ein DFP (Downstream Facing Port), der mit einem Kabelstecker kommunizieren möchte, startet mit einem SOP'. Eine Kommunikation mit den Steckern (z.B. um die Eigenschaften abzufragen), ist erst dann erlaubt, wenn DFP und UFP ihre Verhandlungen abgeschlossen haben.

SOP'' ist die Signalisierung zwischen einem DFP und dem in den UFP eingesteckten Stecker eines elektronisch markierten Kabels. Es gelten die gleichen Regeln wie in der SOP'-Signalisierung.

3.5.4 Nachrichteninhalte
Control Messages

Das Nutzdatenfeld einer Control Message beinhaltet nur den Header. Control Messages dienen zum Signalisieren von Zuständen oder zum Bestätigen/Ablehnen von zuvor erhaltenen Control Messages. Dieses passiert beispielsweise dann, wenn ein Empfänger dem Sender meldet, dass die CRC korrekt ist, bereit ist, die Rolle zu tauschen oder einen Soft Reset beendet hat.

Data Messages

Die Nutzlast von Data Messages besteht aus einem Header und den Data Objects. Es gibt mehrere Typen von Data-Objects:

  • Power Data Objects (PDO) werden verwendet um die Eigenschaften einer Quelle als Stromquelle zu beschreiben oder die Anforderungen einer Senke/Verbraucher an die Stromquelle abzufragen.
  • Request Data Objects (RDO) werden vom Port der Senke beim Aushandeln einer Verbindung ("Contract") verwendet.
  • Vendor Defined Data Objects (VDO) werden zur Signalisierung von herstellerspezifischen Eigenschaften benutzt. Mittels sog. Vendor Defined Messages (VDM) können Geräte und Kabel identifiziert werden. Hierfür werden an die Hersteller vergebene Kennungen (VID = USB Vendor ID und SID = USB Standard ID, gemeinsam auch SVID) abgefragt. Anhand dieser Kennungen kann ein Host erkennen, welche Standardmodi oder alternative Modi ein angeschlossenes Gerät oder Kabel beherrscht.
  • BIST Data Objects (Built In Self Test / BDO) werden zum Testen des Physischen Layers (Frequenzmessung) gesendet.

Durch die Verwendung von strukturierten VDMs (Vendor Defined Messages) können Hosts und Geräte einander erkennen und so konfigurieren, dass eine Verbindung in einem alternativen Modus möglich wird. Durch die Rekonfiguration des Verbinders können sich Verwendungszweck von Pins der Verbinder und die Funktionsweise von Bussen ändern.
Bislang (Juni 2016) sind vom USB Implanters Forum zwei alternative Modi spezifiziert worden.

Mit USB PD 3.0 (veröffentlicht 2017) kommen mit dem APDO (Augmented Power Data Objekt) einige neue Messages hinzu:

  • Alert Data Message
    Meldet eine Änderung im System oder ein unerwartetes Ereignis wie Überspannung oder Überstrom.
  • Battery Status Data Message
    Meldet den Ladestatus des Akkus.
  • Status Extendet Message
    Meldet die gegenwärtige innere Temperatur und den Status des aktiven Betriebsspannungseingangs.

und zusätzlich (Auszug):

  • Firmware Update Extendes Messages
    Ein Protokoll um einen Firmware Update durchzuführen.
  • Security Extended Messages
    Ein Protokoll zur Authentifizierung von USB-Geräten und elektronisch markierten Kabeln.

3.6 Besondere Gerätezustände

"Dead Battery"-Betrieb

Ein Dead-Battery-Betrieb ist notwendig, wenn ein USB-Gerät Energie an ein USB-Host liefern muss. Diese Situation entsteht wenn der Host

  • einen leeren Akku hat, der geladen werden muss
  • seine Stromquelle verloren hat
  • keine eigene Stromquelle hat
  • keinen Strom liefern will

Der Host, z.B. ein Laptop, kann mit leerem Akku nicht sein USB-Interface versorgen. Das bedeutet, dass ein normales Laden über USB nicht möglich ist, da ein Aushandeln der Ladespannung und des Ladestroms mit der Stromquelle nicht möglich ist. Als Kennzeichen für einen entladenen Akku sind lediglich die Kodierwiderstände Rp auf beiden Leitungen des Configuration Channel (CC) auslesbar. Damit kennzeichnet sich der Host selber als Senke (siehe Tabelle 3.04). Diese Doppelrolle wird in der Spezifikation als Provider/Consumer (Versorger/Verbraucher) bezeichnet. Die Rolle des angeschlossenen Gerätes wird zum Consumer/Provider und somit zur Quelle.

Der Consumer/Provider, z.B. ein Hub mit UFP oder DRP, kann keine Spannung auf dem VBUS detektieren. Daher legt er periodisch eine strombegrenzte 5V-Spannung auf VBUS um abzufragen, ob ein Provider/Consumer-Port, der mit Strom versorgt werden will, angeschlossen ist. Mit dieser 5 V-Spannung auf VBUS kann der Transmitter im USB-Port des Laptops in Betrieb gehen. Als Antwort sendet dieser einen Bitstream aus Nullen und Einsen. Der USB-Port im Hub empfängt diese Bestätigung und legt daher eine permanente 5 V auf den VBUS. Um keine Schäden durch einen zu hohen Ladestrom zu erzeugen, ist die 5 V weiterhin strombegrenzt. Der Akku im Laptop wird nun langsam aus der VBUS geladen. Mit dem Erreichen der Mindestladespannung des Akkus kann das USB-Interface im Laptop komplett aktiviert werden und es können auf normalem Wege die optimalen Bedingungen für den weiteren Ladevorgang ausgehandelt werden.

4. USB Power Delivery 3.0 (USB 3.2)

Mit der Freigabe der Spezifikation für USB 3.2 im September 2017 ersetzt, bzw. erweitert die Spezifikation von USB Power Delivery 3.0 die von USB Power Delivery 2.0. Diese bleibt aber auch weiterhin gültig. USB PD 2.0 und USB 3.0 sind interoperabel, da die Richtlinien im Prinzip gleich sind. Die wichtigsten grundlegenden Regeln sind:

Quellen, die mehr als 15W liefern können, müssen 5 V und 9 V anbieten,
Quellen, die mehr als 27W liefern können, müssen 5 V, 9 V und 15 V anbieten,
Quellen, die mehr als 45W liefern können, müssen 5 V , 9 V, 15 V und 20 V anbieten.

Die wichtigsten Änderungen von USB PD 3.0 USB gegenüber USB PD 2.0 sind:

  • Die Geräteprofile werden durch PD Power Rules (Richtlinien) ersetzt.
  • Programmierbare Netzteile (Programmable Power Supply (PPS))
  • Es werden Mechanismen zur Vermeidung von Kollisionen und zur Vereinfachung der Kommunikation eingeführt.
  • Die Eigenschaften und der Status von Batterien/Akkus können übertragen werden(APDO (Augmented Power Data Objekt)).
  • Die Fähigkeit von Fast Power Role Swap (schnelle Rollenumkehrung bei der Stromversorgung).
  • Unterstützung von USB Typ-C-Authentifikation
  • Unterstützung von USB PD-Firmware Update (PDFU)
  • Extended Messages erlauben auch die Übertragung von Nachrichten, die länger sind als die 20 Byte Nutzdaten von USB PD 2.0.

4.1 Programmierbare Netzteile und Ladegeräte

USB PD 2.0 erlaubt Quelle und Verbraucher bis 100 W sich gegenseitig zu identifizieren, die Rollen festzulegen und eine feste Lade- oder Versorgungsspannung auszuhandeln. Die Steuerung erfolgt von der Quelle. Durch die Einteilung in nur vier von der Leistungsaufnahme abhängigen Profilen ist eine genaue Anpassung zwischen Quelle und Verbraucher (Senke) kaum möglich. Daher wird in beiden Geräten zusätzliche Verlustleistung erzeugt, die in Wärme umgesetzt wird. USB PD 3.0 führt daher einen neuen Ladealgorithmus ein: das verbrauchergesteuerte (sink directed) Laden. In der Spezifikation werden daher die festen Profile durch flexiblere Regeln bzw. Richtlinien (Power Rules) ersetzt. Um die Regeln umzusetzen sieht USB PD 3.0 den Einsatz von programmierbaren Netzteilen bzw. Ladegeräten (PPS - Programmable Power Supply) vor.

4.1.1 Verbrauchergesteuertes Laden

Um eine differenzierte Steuerung der Quelle vornehmen zu können, wurde für die Kommunikation ein neuer Datenobjekt-Typ APDO (Augmented Power Data Objekt) geschaffen. Zwischen Senke und Quelle wird ein permanenter Datenaustausch vorgenommen. Nach dem Austausch der Parameter wie Maximal- und Minimalspannung, Maximalstrom und Lademethode (Konstantspannung oder Strombegrenzung) fordert die Senke mindestens alle 10 Sekunden die gewünschte Ladespannung und den gewünschten Ladestrom an. Die Quelle fordert im Gegenzug von der Senke deren Temperatur und Spannungswerte an. Wird die Kommunikation zur Senke unterbrochen, fällt die Quelle in einen sicheren Lademodus zurück.

4.1.2 Programmierbare Ausgangsspannung und Ausgangsstrom

Um ein differenziertes und optimales Laden zu ermöglichen, kann die Ausgangsspannung des Netzteils/Ladegerät stufenweise in 20 mV-Schritten und die Strombegrenzung in 50 mA-Schritten eingestellt werden.
Die Strombegrenzung setzt immer dann ein, wenn der von der Senke gezogene Strom größer wird als der zuvor ausgehandelte Schwellwert. Dies soll keinen Schutz darstellen, sondern es ist der Normalbetrieb!

Abb. 4.01: Die Leistungsbereiche unter PPS mit den wichtigsten Parametern
Abb. 4.01: Die Leistungsbereiche unter PPS mit den wichtigsten Parametern
Tabelle 4.01: Die Spannungsbereiche von programmierbaren USB-Netzteilen
Tabelle 4.01: Die Spannungsbereiche von programmierbaren USB-Netzteilen

Tabelle 4.01 zeigt die Ausgangsspannungsbereiche eines programmierbaren Netzteils/Ladegerät gegenüber den Konstantladespannungen. Tabelle 4.02 zeigt die Minimal- und Maximalausgangsspannungen die den Konstantladespannungen entsprechen.

Tabelle 4.02: Die Ausgangsspannung der Quelle darf +/- 5% von der Maxi- bzw. der Minimalspannung abweichen
Tabelle 4.02: Die Ausgangsspannung der Quelle darf +/- 5% von der Maxi- bzw. der Minimalspannung abweichen
Abb. 4.02: Logo "Certified USB Fast Charger"

 

Nur USB-Ladegeräte, die PPS unterstützen und durch eine Zertifizierung gelaufen sind, dürfen das neue Logo "Certified USB Fast Charger" tragen.

4.1.3 Fast Role Swap

Die Aufgabe vom Fast Role Swap (FRS = schneller Rollenwechsel) ist es die Versorgung eines USB-Gerätes, z.B. einer externen Festplatte an einem Load-thru-Hub, im Falle einer Unterbrechung der Betriebsspannung des Hub, weiterhin sicherzustellen. Abb. 4.02 verdeutlicht den Vorgang.

Abb. 4.02: Fast Role Swop eines Laptops: Von Senke zur Quelle in Mikrosekunden
Abb. 4.02: Fast Role Swop eines Laptops: Von Senke zur Quelle in Mikrosekunden

Abb. 4.02 oben:
Das Netzteil/Ladegerät versorgt über den Port 1 des Hubs sowohl das USB-Gerät am Port 2 als auch das Notebook am Port 3. Im Hub befindet sich ein Pufferkondensator. Dieser wird von VBUS auf 5 V aufgeladen.
Während der Initialisierung der USB-Verbindung erkennt das Notebook, dass der Hub FRS beherrscht und bereitet sich darauf vor.

Mitte:
Das Netzteil wird entfernt oder liefert keinen Strom mehr. Das USB-Gerät an Port 2 wird nun für mindestens 150 μs aus dem Pufferkondensator gespeist werden. Der Hub detektiert die sinkende Spannung des sich entladenden Kondensators und legt den CC für 60 - 120 μs an Masse und sendet hiermit eine FRS-Message an das Notebook.

Unten:
Das Notebook reagiert sofort und wechselt seine Rolle von einer Senke zu einem Host, einer Quelle und versorgt das USB-Gerät mit einer aus seinem Akku gespeisten VBUS.

4.2 Authentifizierung

USB PD 3.0 spezifiziert die Mechanismen für eine Authentifizierung von Kabeln und für eine Port-zu-Port-Authentifizierung. Dabei können USB-Geräte, USB PD-Quellen, USB PD-Senken (Verbraucher) und USB PD-Kabel identifiziert werden um z.B. den Hersteller eines Produkts zu verifizieren oder bestimmte Eigenschaften zu erkennen. Beispielsweis könnte ein Ladegerät den Ladestrom begrenzen wenn das Ladekabel zum Gerät nicht authentifiziert werden konnte oder das Betriebssystem eines Computers einen unbekannten USB-Speicher zurückweisen.

Die Authentifizierung wird normalerweise vom Initiator (ein USB-Host oder einer USB PD-Verbraucher) ausgelöst. Das angesprochene USB-Gerät (Responder), USB PD-Quelle oder USB PD-Kabel muss zumindest mit den Signaturen vom USB-Implementersforum, des Herstellers und einer einzigartigen Seriennummer bzw. Schlüssel ausgestattet sein um authentifiziert werden zu können.

Die Antwort des Responders vergleicht der Initiator mit den in einem Cache abgelegten Hash-Codes von vorgegebenen oder gelernten Zertifikaten/Signaturen.

Die Kommunikation zwischen Initiator und Responder läuft entweder USB PD (CC/VCONN) oder über den USB Daten-Bus.

4.3 Power Delivery Firmware Update (PDFU)

Die USB PD Firmware Update Spezifikation beschreibt Methoden wie Firmware in USB PD-fähigen Geräten (Ladegeräte, Kabel, ...) aktualisiert und die Installation von Schadsoftware verhindert werden kann.

Abb. 4.03 zeigt ein typisches System bestehend aus PDFU-Depot, PDFU-Initiator und PDFU-Responder.

  • PDFU-Depot
    Ein PDFU-Depot ist ein Repositorium ("Lager") in dem ein oder mehrere Firmware-Images abgelegt sind. Das Depot kann von mehreren PDFU-Initiatoren, auch unterschiedlicher Hersteller, gemeinsam benutzt werden. Physisch kann ein Depot lediglich ein USB-Stick sein, aber ebenso ein Server bei einem Hersteller.
  • PDFU-Initiator
    Ein PDFU-Initiator ist ein System (zumeist ein Laptop oder PC), das über mindestens einen USB Typ-C-Port verfügt, der PDFU-tauglich ist. Der Initiator hat Zugriff auf ein Depot und löst das Firmware-Update aus.
  • PDFU-Responder
    Der PDFU-Responder ist ein System, das das Firmware-Update erhält. Es kann eine Quelle, eine Senke oder ein Kabel sein.
Abb. 4.03: Allgemeine PDFU-Topologie
Abb. 4.03: Allgemeine PDFU-Topologie
4.3.1 Update einer PD-Senke über ein USB Type-C-Kabel

Abb. 4.04 zeigt eine Firmware-Update-Topologie in der der PDFU-Initiator eine Quelle ist (z.B. ein PC, der Peripheriegeräte versorgen kann) Der PDFU-Responder ist eine PD-Senke (z.B. ein Gerät mit festem USB-C-Anschlusskabel)

4.04: Update einer PD-Senke über ein USB Type-C-Kabel
Abb. 4.04: Update einer PD-Senke über ein USB Type-C-Kabel
4.3.2 Update eines USB Type-C-Kabels

Abb. 4.05 zeigt eine Topologie wobei die PDFU-Responder die Enden (SOP' uns SOP'') eines USB Typ-C-Kabels sind. Nachteilig ist, dass wenn sich isolierte SOP' an beiden Enden befinden und nur jeweils ein über VCONN versorgt wird, kann nur jeweils eine Seite ein Update erhalten. Daher muss in der Mitte der Updateprozedur das Kabel einmal umgedreht werden.

Abb. 4.05: Update eines aktiven USB Type-C-Kabels
Abb. 4.05: Update eines aktiven USB Type-C-Kabels
4.3.3 Update über einen USB-Hub

In diesem Szenario befindet sich der PDFU-Responder downstream von einem Hub. Wie in Beispiel 4.3.1 kann der Responder eine Quelle oder eine Senke sein.

Abb. 4.06: Update über einen USB-Hub
Abb. 4.06: Update über einen USB-Hub
Der Firmware-Update-Prozess

Ein PD-Firmware-Update gliedert sich in sechs Phasen:

  1. Enumeration (Aufzählung)
    In dieser ersten Phase, gleich nach dem Herstellen der USB-Verbindung, fragt der PDFU-Initiator den PDFU-Responder ab. Dieser antwortet mit der Hersteller- und Geräteidentifikation und Informationen über die bestehende Firmware-Version.
  2. Akquisition
    Im zweiten Schritt verwendet der Initiator die Hersteller- und Gerätekennzeichnung und die Firmware-Versionsinformation um in einem geeigneten PDFU-Depot nach einem Firmware-Upload anzufragen.
    Das PDFU-Depot antwortet entweder mit einem neuen Firmware-Image oder zeigt an, dass keine aktuellere Firmware zur Verfügung steht.
  3. Rekonfiguration
    Nun ändern Initiator und Responder ihre Konfiguration so, dass ein sicherer Transfer der Firmware vorgenommen werden kann.
  4. Transfer
    Das Firmware-Image wird vom Initiator zum Responder übertragen.
  5. Validierung
    Der Responder überprüft das neue Firmware-Image und die Hersteller- und Gerätekennzeichen. Es erfolgt eine Meldung an den Initiator, ob die Übertragung erfolgreich war oder nicht.
  6. Manifestierung
    In diesem letzten Schritt schaltet der Responder auf die neue Firmware um und rekonfiguriert sich nach einem Hard-Reset durch den Initiator.

 

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Alle "USB"-Logos und Piktogramme sind geschützte Warenzeichen der USB.ORG
Quelle:  http://www.usb.org

[2] Quelle: http://www.usb.org/developers/presentations/USB_DevDays_Taipei_2015_-_USB_Type-C.pdf
(Dokument nicht mehr verfügbar)

[3] Quelle: http://www.usb.org/developers/presentations/USB_DevDays_Taipei_2015_-_USB_Type-C.pdf
(Dokument nicht mehr verfügbar)

Weblinks

USB 3.1 Specification http://www.usb.org/developers/docs/documents_archive/

USB 3.2 Specification http://www.usb.org/developers/docs/

USB Type-C™ Cable and Connector Specification:
http://www.usb.org/developers/usbtypec/

Präsentationen von den USB Developer Days in Taipei, Taiwan im Oktober 2017:
http://www.usb.org/developers/presentations/

MHL-White Papers (Registrierung notwendig)

Informationen und Standards zu DisplayPort:
http://www.vesa.org/displayport-developer/presentations/

 

 

 

Zuletzt bearbeitet am 20. Februar 2018

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