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Sep 22, 2023

USB について

USB-C elimina la necessità del caricabatterie proprietario con spina a barilotto che hai utilizzato.

USB-C により、ラップトップやその他の無数のデバイスに使用されてきた独自のバレル プラグ充電器が不要になります。 独自の携帯電話充電器規格を明示的に非準拠にし、自社のデバイスを広く入手可能な充電器で動作させるよう企業をいじめることで、この規格に対抗しています。 愛好家としては、電流を大量に消費する Pi 4 に電力を供給するために、小さな MicroUSB コネクタやスペック不足のケーブルを介して 3 A を供給する必要はもうありません。現在必要なのは、2 つの抵抗を備えた USB-C ソケット、または場合に備えて多少特殊なチップだけです。抵抗器はあなたが望んでいる場所に到達することはできません。

USB-C を使用すると、より多くの費用対効果が得られます。 これは権力にも当てはまります。 結局のところ、すべてのデバイスが 15 W で生活できるわけではなく、さらに多くの W を必要とするデバイスもあるでしょう。 お使いのデバイスに 15 W では不十分な場合は、それを超える方法を見てみましょう。

USB-C 電源は常に 5 V をサポートしており、一部の電源はそれに制限されていますが、より高い電圧もサポートされています。 USB-C の通常の電圧ステップは 5 V、9 V、15 V、20 V です。 12V のサポートはオプションであり、慣例のようなものです。 これらのステップは SPR と呼ばれ、EPR は 28 V、36 V、および 48 V ステップをミックスに追加し、最大 240 W まで対応します。 新しいケーブルが必要ですが、完全な下位互換性と上位互換性があり、USB-C で実行できるケーブルとデバイスのチェックにより完全に安全に使用できます。

充電器は最高ステップより下のすべてのステップをサポートする必要があります。つまり、20 V 対応の充電器は 5 V、9 V、15 V もサポートする必要があります。実際には、ほとんどの充電器が実際にサポートしており、一部のみがスキップする可能性があります。一歩か二歩。 また、PPS と呼ばれる PD 標準 (または EPR 範囲の充電器の AVS 標準) を使用して、その中間の電圧 (最低 3.3 V) を取得することもできます。これは必須ではありませんが、かなりの数の USB が必要であることがわかります。 C PSU には義務があり、PPS サポートは通常ラベルに記載されています。

ただし、抵抗だけでは 5 V を超えることはできません。USB PD (Power Delivery) と呼ばれるプロトコルを使用して、CC ライン経由でデジタル通信する必要があります。このプロトコルにより、デバイスと PSU は機能的な方法で電力要件をネゴシエートできます。 これは一定のボーレートの双方向プロトコルであり、CRC チェックや応答タイミング要件があり、基本的にすべての USB-C (高速プロトコル ネゴシエーションも含む) に使用されます。 最も重要なのは、USB-C PD が非常に強力であることです。

USB-C を介して可能になる膨大な量の通信により、これまでよりもスマートなデバイスを構築できるようになります。 綿密に設計されており、通信には上位互換性と下位互換性があり、新しい 140 W EPR 充電器は古い 60 W デバイスを 60 W レートで快適に充電でき、60 W 充電器は 140 W を必要とするデバイスの低速充電にも引き続き使用できます。 USB PD 機能は、「この電流によって制限されたこの電圧を与えてください」というものをはるかに超えています。デバイスは、互いの電源の役割の設定、充電状態を照会し、オンザフライで電源の役割を交換し、ケーブルが何ができるかを判断し、次のすべてを行うことができます。安全性を考慮したものです。

複雑さをまだ理解していない方のために、USB-C によって簡単になる複雑なシナリオを説明します。 USB3 ポート、HDMI ポート、および USB-C 充電器入力ポートを備えた USB-C ドックを想像してください。 充電器を接続せずにこのようなドックをラップトップに接続すると、ラップトップはこのドックに 5 V を供給します。ラップトップに応じて、上限は 1.5 A または 3 A になります。 外出先で HDMI や追加の USB3 ポートが必要な場合、これだけでも非常に便利です。また、そのようなドックの中にはイーサネットも備えているものもあります。これを見逃すのは難しいでしょう。 つまり、ドックは電源シンクとして機能し、ラップトップは電源として機能します。 ただし、高電圧対応の充電器をこのドックの充電器入力ポートに接続すると、この配置は逆転します。

ドック内の IC は充電器を検出し、仲介者として機能し、ラップトップおよび充電器と PD を通信し、互いの電力要件と能力を決定します。 たとえば、ラップトップは充電器が提供できる 20 V、3 A に興味があるとします。 中間 IC はラップトップに 5 V の供給を停止し、代わりにより高い電圧から充電する準備をするように指示し、ラップトップが同意すると、充電器に電圧を上げるように指示します。 1 秒以内に、システムは完全に変わりました。ラップトップからの 5 V で動作する代わりに、ドックは充電器からラップトップに 20 V を自身を介して渡し、同じ 20 V から自身のニーズに応じた電力を取得します。

この電源の役割の交換は短い時間枠内で完了するように設計されています。USB3 および HDMI デバイスは電圧低下が発生せず、電源の役割の交換が発生しても高速通信が中断されません。 20 V は 5 V 専用ピンにもかかりません。ドックにはそれを防ぐために内部に電力調整機能とゲート機能があります。 ドックは、ラップトップまたは携帯電話が USB-C 経由のビデオ出力をサポートしていない場合にも機能します。その場合、HDMI ポート以外はすべて意図したとおりに機能します。ラップトップが USB-C 経由の充電をサポートしていない場合は、課金交渉は安全な方法で失敗します。

ドック IC は、自身の USB3 ポートと HDMI ポートの電力バジェットを認識しており、それをラップトップに提示する前に充電器の電力バジェットから差し引きます。これにより、ラップトップは消費できる電流量を正確に把握し、その値を維持することができます。すべてに電力を供給し、充電器を快適に保ち、過負荷にしないために。 使用する機器が USB-C 標準に準拠している場合、ユーザーは何の予防策も講じる必要はなく、すべてが安全です。

何よりも、このようなドックはオンラインでわずか 10 ドルで購入できます。 これらの機能はすべて、まぐれやハッキングではありません。USB-C は、これらすべてをはじめとするさまざまな機能を実行できるように設計されています。 ユーザーとしては、フル機能のシングル ケーブル ドックを入手するためにビジネス クラスのラップトップを購入する必要はなくなりました。USB-C データと充電チョップを備えた多くの消費者向けラップトップや携帯電話は、汗をかくことなく上記のすべてを処理できます。

消費者向け技術やハッカー技術の進歩について詳しく知るのが好きなら、USB-C について詳しく知ると、USB-C が確実に未来技術の領域にあることがわかるでしょう。 あなたも、これらすべてがどのように機能するかを知る価値があります。PD との電力通信の基本を見てみましょう。

たとえば、ラップトップに充電器を接続するとします。 充電器は CC ラインにプルアップを提供し、ラップトップはそれを検出し、ラップトップが USB-C 充電対応の場合は、CC ラインにプルダウンを設定します。 その後、充電器は 5 V を供給し、それより高い電圧について PD と通信できるようになります。 ご覧のとおり、より高い電圧を可能にする前に、まず 5 V およびアナログ通信の方法を使用する必要があります。 5.1 kΩ 抵抗を CC ピンに接続して 5 V を取得し、そこからより高い電圧を供給するように電源に指示します。

通信中、抵抗は接続されたままになります。実際、充電器が 5 V をはるかに超える電圧でも電流を供給し続けるには、プルアップ抵抗とプルダウン抵抗の組み合わせが常に存在する必要があります。CC ライン電圧は、PSU がデバイスがいつ抜かれたかを素早く判断し、その逆も同様です。これは、ケーブルを抜いたときに高電圧での接点アーク放電を軽減したり、充電器が高電圧モードから外れて充電器が充電されないようにしたりするなどの安全機能に役立ちます。次に接続されているデバイスを破壊します。これは、一部の非常に初期の USB-C 充電器の故障モードでした。

その結果、デジタル信号が CC ライン電圧にオーバーレイされます。 PD は半分デジタル プロトコルであると言えます。 この PD の要件に加え、高速ケーブルや 3 A を超えるケーブルをチェックするために現在使用されていないピンに VCONN を適用するなどの要件により、CC ピンを UART ペリフェラルなどに配線することが困難になります。 ただし、PD ペリフェラルを備えたマイクロコントローラーは西洋の設計でも東洋の設計でもあり、マイクロコントローラーに PD 周辺機器がない場合は、I2C 経由で接続できる PD 通話チップもあります。

PD と会話する機能は、USB-C ハッカーがアクセスできるようにするのに役立ちます。 ただし、USB-C ポートからの高電圧だけが必要な場合は、PD の専門用語を知る必要はありません。

PD を話すフレンドリーな IC を購入できます。 「PD トリガー ボード」について聞いたことがあるかもしれません。USB-C ソケット、電圧出力用の 2 つのピン、運が良ければいくつかのはんだジャンパー、そして電源を供給するのに十分な PD 語彙を備えた IC を備えた小さなボードです。 20 V または 9 V が得られるはずです。メーカーが絶対に使用しなかった状況で、古いラップトップや高出力デバイスを USB-C 電源から電力を得るように変換するために、ハッカーが PD トリガー ボードやチップを使用しているのを見てきました。それが起こることを意図しています。

トリガーICがたくさんあります。 ハッカーが IP2721 の使用に成功し、最近では CH224K などの IC を探索しているのを目撃しました。 しかし、私たちのほとんどは、すべてがはんだ付けされた小さな PCB を購入するだけで、特定の IC については心配しません。 とはいえ、USB-C ポートの高電圧要求、予期せぬ在庫切れイベントなどを備えたデバイスの設計を開始するときは、常にいくつかの提案が必要になります。

PD トリガーボードはすべてに完璧なわけではありません。 たとえば、USB-C 経由で 8 Ω の抵抗負荷に電力を供給したいとします。例として PD 対応のはんだごてを使用してみましょう。 チップには 20 V で 2.5 A、15 V で 1.9 A が必要です。60 W の充電器は 20 V で 3 A を供給でき、負荷に電力を供給できるため、はんだジャンパーを使用してトリガーボードを安全に 20 V に設定できます。 ただし、45 W の充電器は 20 V で 2.25 A しか供給できず、8 オームの負荷では過電流保護モードになります。20 V モードが利用可能であっても、15 V を使用する必要があります。 トリガー ボード IC は、このようなロジックを念頭に置いて設計されていません。そのため、PD トーキング チップと、より複雑なロジックを処理できる MCU を組み合わせた PD Buddy Sink のようなプロジェクトが存在します。

実際、トリガー ボードは電流制限に関する情報を提供しない傾向があります。充電器がトリガー ボードが要求する電圧で 3 A を供給できないために過電流の危険がある場合は、使用している充電器が適切であることを確認する必要があります。を使用すると過電流保護が実装されます。 これらは USB-C で義務付けられており、ほとんどの企業で実行されていますが、数秒ごとにデバイスの電源を入れ直すことも望ましくありません。 また、OTG アダプターで動作する、またはおそらく高速レーンを実行できるデュアルロール ポートが必要な場合、トリガー IC は役に立ちません。また、異なる機能を要求する複数の PD IC を接続することもできません。 CC ピンと平行にします。 これらの制限を今後の記事で克服してみます。今のところ、トリガー ボードは USB-C の武器庫の中で明確に定義された役割を果たしており、高電圧に関する限り USB-C プロジェクトに役立つことを知っておいてください。

20 V バレル ジャック PSU を USB-C 充電器に変えたい場合はどうすればよいでしょうか? 結局のところ、電圧は一致します。 物事はそれほど単純ではありません。USB-C ポートに 20 V を接続するだけでラップトップが充電されることを期待することはできません。 実際、そんなことをするとラップトップが壊れる可能性があります。魔法の煙が放出されないという保証はありません。 一部のラップトップにはそれに対する保護機能が備わっていますが、私はこの仕組みが魔法の煙の放出を引き起こすのを目撃しました。私はあなたにもそのようなことが起こらないほうがいいと思います。 それを適切に実行したいと考えますが、そのためには、最初に PD ネゴシエーション ソングとダンスを実行し、その際に供給電圧を 5 V に制限する必要があります。

中間ステップなしで、少なくとも 5 V と PD の部分を実行してくれるように見えるアダプターがオンラインにありますが、デバイスに 20 V が必要であることがわかっている場合は、安全に省略できます。 また、20 V が妥当な範囲内にあることを確認する必要もあります。 アダプターがそれをチェックしてくれる場合もあれば、デバイスが気にしない場合もあります。 DC 入力を備えた USB-C PSU 設計も多数あり、オンボードでアクティブ変換を備えているため、12 V、19 V、24 V PSU を USB-C で有効に活用できます。

USB-C電源には注意点があります。 その 1 つは、2 つのデュアルロール ポート (ラップトップとパワーバンクなど) を一緒に接続することです。 どちらも電力を供給したり、充電に電力を使用したりすることができ、USB-C ではこれらの機能の両方に同じポートを使用します。 その結果、高級なパワーバンクから高級なラップトップを充電したい場合、代わりにラップトップがパワーバンクを充電していることに驚くかもしれません。また、携帯電話をラップトップに接続した場合にも同じことが起こる可能性があります。 このようなことが起こることはめったにありませんが、一部のモバイルバッテリーメーカーはそのような取り決めをなんとか回避しているようです。 ただし、他の製品ではうまくいかない可能性があります。

USB-C にはバッテリー残量情報の交換に関する規定がありますが、すべての人が利用または実装しているわけではないと思います。 USB-C レイヤー コントロールをユーザーに公開する一部のデバイスでは、確認できるメニューが表示されます。最近の携帯電話や Chromebook では、その一部が機能します。 ワンボタンのコントロールを備えたパワーバンクは、たとえボタンがあったとしても、それができない可能性があり、多くのラップトップも何も要求できないため、メーカーが標準化する最終的な解決策に向けて様子を見る必要があります。その上。

USB-C では、デバイスの正当性を検証するためのデジタル署名を実装することもできます。 行間を読むことができれば、DRM の匂いがしますが、それはそれです。 一部のデバイス メーカー、特に HP/Dell/Lenovo のダーク トライアドは、充電器やケーブルがサードパーティ製の場合、たとえすべて同じ 100 W であっても、ラップトップの CPU をスロットルさせる DRM を実装しています。これはある意味理にかなっています。デルが、動作確認済みの充電器、ケーブル、ラップトップの組み合わせで 6A をプッシュする場合に、これを実行します。 しかし、現時点では、公平を期すために、代わりに EPR と 140 W を選択するのが良心的な選択であり、どちらにしてもスロットルは許しがたいものです。

ラップトップの話題についてですが、USB-C ポートで 5 V 以上を供給するラップトップを見つけようとすることがあれば、幸運を祈ります。 私の知る限り、そのようなラップトップは存在しないため、充電器とパワーバンクが必要になります。

スイッチモード電源を特定の電圧に配線する必要がある技術的な理由はほとんどありませんが、USB-C はこれらの連鎖を断ち切ります。 現在では、ガソリン スタンドの充電器や小型の安価なボードから 3 A で 9 V または 20 V を得ることができ、PPS 充電器からリチウムイオン電池を充電することもできます。 USB-C 機能には可能性があり、私たちはそれを活用し始めたばかりです。 時代が経つにつれて、私たちの周りにある独自のプラグや奇抜な電圧の充電器は完全に廃れ、MicroUSBが引き継いだ後に携帯電話のデータ転送ケーブルの規格をすべて忘れたのと同じように、私たちはそれらのことを忘れるでしょう。 もう一度言いますが、サムスンだけで独自のデータ ケーブル ポートをいくつ作成したのでしょうか?