что такое power delivery в powerbank
Ликбез по Power Delivery: что стыдно не знать о стандарте быстрой зарядки
Когда энергия в аккумуляторе мобильного устройства стремительно заканчивается, быстрая зарядка становится настоящим подарком. Впрочем, разнообразие как проприетарных, так и лицензированных стандартов затрудняет определение того, какую именно скорость выйдет получить при использовании конкретных блока питания и кабеля. Конечно, можно ориентироваться только на комплектные аксессуары от производителя гаджета, но обойтись одной зарядкой сегодня — не самая простая задача. Выходом становится Power Delivery — актуальная официальная спецификация быстрой зарядки USB Promoters Group.
Power Delivery (PD) — универсальная спецификация, разработанная как общий стандарт быстрой зарядки, который можно использовать с любыми гаджетами с поддержкой USB-интерфейса. PD существует с 2012 года — примерно с того же момента, когда представили порт USB-C. Новый стандарт зарядки стал заменой для спецификации USB Battery Charging (USB BC), которая дополняла базовые параметры питания USB-порта. На данный момент пользователям и производителям доступна уже третья редакция Power Delivery, которая заточена для эффективной быстрой зарядки.
Что нужно знать про зарядку гаджетов через порты USB
Современные порты USB-С поддерживают несколько стандартных спецификаций зарядки. Более того, производители могут комплектовать их дополнительными проприетарными возможностями.
Для начала важно отметить, что абсолютно все USB-порты поддерживают базовый уровень зарядки от 5 В и 500 мА до 5 В и 900 мА. Да, скорость наполнения энергией в данном случае будет крайне медленной, но это нужно для работы с устаревшими девайсами, а также маломощными гаджетами. Порты USB-С базово можно «разогнать» до 5 В и 1,5 А и даже 15 В и 3 А. Это намного быстрее, но всё ещё достаточно медленно, если говорить про стандарты быстрой зарядки в целом.
Стандарт Power Delivery отличается куда большей скоростью — он может работать даже с мощностью 100 Вт, чего уже будет более чем достаточно и для самых требовательных гаджетов вроде ноутбуков. Важным нюансом работы с PD является безопасность — когда гаджеты используют данный стандарт, они согласовывают необходимую мощность через USB-кабель. Спецификация поддерживает варианты зарядки с напряжением 5 В, 9 В, 15 В и 20 В, чтобы обеспечить мощность от 0,5 до 100 Вт. Новый стандарт программируемого источника питания USB Power Supply (USB PD PPS) также поддерживает определение напряжения, что нужно для более оптимальной зарядки. Если блок питания и гаджет не могут согласовать необходимую скорость зарядки, используется базовая.
💡 Мощность равна произведению напряжения и силы тока.
Сегодня Power Delivery используется для быстрой зарядки смартфонов, ноутбуков и других гаджетов. Google взял стандарт на вооружение для линейки Pixel, Samsung использует его для серии Galaxy S, а Apple — в iPhone и MacBook. Внушительное число других производителей добавляют работу с PD к своим проприетарным технологиям быстрой зарядки.
На данный момент есть три поколения стандарта Power Delivery
На данный момент стандарт Power Delivery находится уже в третьей редакции, которая характеризуется индивидуальным набором особенностей и возможностей. Впрочем, PD отличается обратной совместимостью, поэтому особенно переживать по поводу выбора не стоит.
Первая редакция Power Delivery была заметно более простой, чем современные. Она предлагала шесть фиксированных профилей питания для разных категорий гаджетов: 10 Вт (5 В, 2 А), 18 Вт (12 В, 1,5 А), 36 Вт (12 В, 3 А), 60 Вт (12 В, 5 А), 60 Вт (20 В, 3 А) и 100 Вт (20 В, 5 А). Такое разнообразие по мощности уже можно считать достаточным, но сегодня для огромного зоопарка из девайсов разных форматов требуется ещё большая гибкость.
Во второй и третьей редакциях Power Delivery от набора фиксированных профилей было решено отказаться. Конкретные значения по напряжению в них остаются, но сила тока может меняться в согласованном диапазоне. В итоге получается ещё более универсальный подход к зарядке абсолютно любых гаджетов. От второй третья редакция PD отличается контролем состояния аккумулятора, повышенной безопасностью и возможностью изменения напряжения по мере зарядки.
Подавляющее большинство современных устройств использует вторую и третью редакцию Power Delivery. Для смартфонов типичная мощность зарядки — 18 Вт, для ноутбуков — около 60 Вт. Впрочем, некоторые мобильные устройства всё же настроены на работу с большей скоростью — к примеру, VOOC Flash Charge уже поддерживает мощность свыше 100 Вт.
Как работает программируемый источник питания USB PD PPS
Вторая и третья редакции Power Delivery весьма технологичны, но всё ещё не в полной мере соответствуют требованиям гибкости для действительно быстрой зарядки. Её скорость крайне чувствительна к определённому напряжению, которое должно меняться по мере наполнения аккумулятора энергией. Варианты напряжения 5 В, 9 В, 15 В и 20 В из стандартной спецификации PD далеки от идеала для оптимальной быстрой зарядки.
Одной из особенностей третьей редакции Power Delivery, которую представили в 2018 году, стал программируемый источник питания USB PD PPS. Он отличается заметно большей гибкостью и предлагает шаг напряжения на уровне 20 мВ (0,02 В). Более того, в данном случае необходимое напряжение может быть не только согласовано, но и изменено прямо во время зарядки. Для быстрого наполнения устройства энергией это очень важно.
В первой половине 2021 года USB PD PPS — всё ещё диковинка. Его поддержка реализована всего в нескольких гаджетах и аксессуарах, и это создаёт трудности для потребителей. К примеру, для быстрой зарядки Samsung Galaxy S21 нужен блок питания именно с поддержкой USB PD PPS — только с ним смартфон сможет принимать 25 Вт. При использовании же традиционного стандарта Power Delivery гаджет сможет получить только 18 Вт.
Как быстро гаджеты заряжаются с помощью Power Delivery
Стандарт Power Delivery характеризуется внушительным спектром вариантов итоговой мощности. Более того, его поддерживает масса устройств, которые отличаются, в том числе, и по ёмкости аккумулятора. Поэтому дать чёткий ответ на вопрос подзаголовка достаточно сложно. Впрочем, обычно смартфоны используют мощность 18 Вт и полностью заряжаются примерно за час с лишним. Ноутбуки же с блоками питания на 60 Вт могут получить необходимый объём энергии приблизительно за час или два.
В отличие от ноутбуков, смартфоны, как правило, предпочитают более низкое напряжение (5 или 9 В) и высокую силу тока. К примеру, технология OnePlus даёт возможность разогнаться до 65 Вт при 10 В и 6,5 А, а 40 Вт от Huawei базируются на 10 В и 4 А. Это — проприетарные варианты. Тем не менее они показательны.
Ближайший вариант напряжения в PD — 9 В. При его использовании в рамках стандарта скорость зарядки теоретически может составлять 27 Вт. Но для работы со смартфонами Power Delivery обычно использует более низкую силу тока, которая не дотягивает до 3 А. Поэтому на выходе получается 18–20 Вт — это заметно меньше, чем у протоколов быстрой зарядки, разработанных отдельными производителями гаджетов.
Впрочем, у PD всё же есть перспективы в мире универсальных стандартов быстрой зарядки. При использовании PPS Samsung Galaxy S21 может заряжаться на скорости 25 Вт при напряжении 9,5 В. А в Galaxy Note 10 Plus компании удалось добиться быстрой зарядки с мощностью 45 Вт. Тем не менее нужно понимать, что реализацию настолько большой мощности в Samsung сочли слишком сложной с точки зрения работы аккумуляторов, поэтому кроме перспектив у Power Delivery также хватает и вопросов.
Power Delivery вряд ли будет конкурировать с проприетарными стандартами быстрой зарядки. В своих смартфонах OPPO тизерит поддержку 100 Вт, а Xiaomi уже реализовала 120 Вт. Без существенной переработки у PD нет шансов даже вместе с PPS. Впрочем, если объективно, сегодня даже 40 Вт уже более чем достаточно для действительно быстрой зарядки того же смартфона.
Кроме удобства Power Delivery играет на пользу и экологии
Конечно, высокая скорость зарядки является важной особенностью Power Delivery в целом и PPS в частности. Тем не менее куда важнее универсальность. PD был создан как единый стандарт для питания по USB широкого спектра гаджетов. Он нивелирует необходимость в проприетарных портах и особенных блоках питания.
Прежде всего, это крайне положительно сказывается на простоте подключения и зарядки. Но есть и вторая сторона медали — отсутствие необходимости оснащать каждое новое мобильное устройство отдельным блоком питания. Обилие старых кабелей и других аксессуаров для зарядки, которые остаются на свалках и не так просты в переработке, становится всё большей проблемой. Она также усугубляется ограниченностью драгоценных металлов и других элементов, которые используются на производстве. Power Delivery — это серьёзный ответ на сложный экологический вопрос.
Конечно, производители, которые убирают блоки питания из коробок своих устройств сегодня, пока не особенно радуют пользователей. Последние могут не обладать подходящими аксессуарами, поэтому должны приобретать их отдельно. Но в долгосрочной перспективе ситуация придёт в норму. Каждый из нас не будет заморачиваться, чем именно заряжать свои гаджеты, — по крайней мере, если Power Delivery станет единым решением, которое возьмут на вооружение абсолютно все.
Статья написана на основе материала Android Authority.
Когда используется Power Delivery, и что происходит при установлении соединения между блоком питания и устройством
В прошлый раз я рассказывал про минимальный набор компонентов, который может быть включён в устройство для поддержки базовых функций USB-C. Но бывают ситуации, когда этих базовых возможностей недостаточно – например, нужно использовать несколько профилей напряжения, чтобы блок питания от одного устройства подходил к другому. Или же есть необходимость подстроить сами профили. Или просто нужна бОльшая мощность питания (в случае с USB-C доступный максимум – 15 Вт). Во всех этих ситуациях на помощь придёт стандарт Power Delivery. Он, например, используется в линейке зарядных устройств Apple – профили с бОльшим напряжением доставляют бОльшую мощность к устройству и позволяют его быстро заряжать. В нашем смарт-экране SberPortal есть узлы, которые требуют значительной мощности питания – прежде всего это высокопроизводительная система на кристалле (SoС) и акустика. Один только звук требует около 30 Вт. Поэтому при разработке устройства пришлось усложнить систему питания и реализовать Power Delivery. Об этом стандарте и пойдёт ниже речь.
Также разберёмся в его особенностях и посмотрим, как со временем изменился способ передачи данных в стандарте. А ещё я расскажу и покажу с помощью анализатора протокола, что происходит при установлении подключения в устройствах, на примере ноутбука с Power Delivery. Затем посмотрим, как мы реализовали PD в нашем смарт-экране SberPortal.
Особенности Power Delivery
Power Delivery расширяет возможности USB-C, позволяет использовать повышенное, по сравнению с привычным USB, напряжение на контактах VBUS – 20 В (и, как мы увидим, даже выше). При использования стандартного кабеля USB-C возможна доставка потребителю до 60 Вт, а при использовании ECMA кабеля – до 100 Вт.
Эти функции достигаются за счёт информационного обмена по линии СС. Кроме поддержки СС-логики, которая определяет роль устройства при установлении соединения, по этой линии происходит обмен сообщениями типа “запрос-ответ” между источником и потребителем.
Важная особенность стандарта – наличие PDO (Power Delivery Objects). PDO представляет собой профиль питания с заданным напряжением и током. Таких профилей в PD-источнике должно быть больше, либо равно 2. Другими словами, в одном адаптере находится несколько источников питания, выбор нужного при этом делается потребителем. Обязательный профиль – 5V/3А. Благодаря этому допустимо подключение устройства-источника, в котором реализован полноценный PD, к потребителю, где выполнена только базовая функциональность USB-C (СС-логика). В таком случае источник установит на своем выходе 5V.
Физический уровень
В первых ревизиях стандарта USB Power Delivery линия питания VBUS использовалась не только по прямому назначению, но и в качестве канала для обмена сообщениями между потребителем и источником энергии.
Пример двоичной частотной манипуляции (BFSK)
Такой вид передачи довольно помехоустойчив, так как помеха искажает в основном амплитуду сигнала, а не частоту. В последней редакции стандарта USB PD 3.0 BFSK больше не используется, и описание этого механизма передачи исключено из спецификации.
В последней на текущий момент ревизии 3.0 USB Power Delivery поддерживается только Biphase Mark Code (BMC). Передача данных происходит по одному из СС-контактов. Информационный обмен идёт в режиме полудуплекс с предотвращением коллизий и с 4b5b-кодированием для баланса постоянного тока.
BMC представляет собой версию манчестерского кодирования. Логический 0 соответствует отсутствию переключения в середине битового интервала, логическая 1 – наличию переключения. На границе интервалов переключение происходит всегда. Частота сигнала составляет 300 kHz ± 10 %.
Пример Biphase Mark Coding (BMC)
Уровень протокола
Уровень протокола формирует сообщения, используемые для передачи информации. Он отвечает за создание запросов, подтверждений, сообщений о возможностях.
Сообщения в зависимости от содержимого можно выделить следующие:
Типы быстрых зарядок и нюансы используемых кабелей
Содержание
Содержание
Современные смартфоны потребляют намного больше энергии, чем их предшественники: больше быстродействие, больше экран, больше памяти, GPS, Bluetooth, Wi-Fi. Все это прекрасно, однако емкости аккумуляторов за прогрессом не поспевают. В результате многие современные смартфоны держат заряд не более суток. Рано или поздно вы забываете поставить вечером гаджет на зарядку, а утром понимаете, что через 15 минут выходить из дома, а заряда — «на донышке». Что делать? Бежать покупать портативный аккумулятор или можно что-то сделать за эти 15 минут?
Как долго должен заряжаться аккумулятор?
Так получилось, что USB стал стандартом для зарядных устройств всех гаджетов. Но разрабатывался этот стандарт, во-первых, давно, во-вторых, совсем не для этого.
Стандарт USB был разработан еще в 1996 году. Устройства тех лет, питающиеся от разъема USB, зачастую не имели контроллеров питания и могли просто сгореть, получив большой ток. Поэтому в стандарте вплоть до версии 2.0 максимальный ток составлял 500 мА, поэтому заряда смартфона с батарейкой емкостью в 3000 мАч требовалось 7-8 часов, хотя сам аккумулятор вполне мог бы потреблять 1,5 А и зарядиться за 2-3 часа.
Именно поэтому зарядка, идущая в комплекте с гаджетом, зачастую заряжает его намного быстрее — она просто выдает повышенный ток, рассчитанный на конкретный аккумулятор.
Сам стандарт разрабатывался для передачи данных, а не для питания. Разъемы и кабели USB не предназначены для больших токов, так что производители гаджетов столкнулись с неприятностями, начав выпускать такие зарядки с токами до 5А и более. Провода кабеля USB довольно тонкие, сопротивление их высоко. Но с увеличением тока падение напряжения на кабеле и его нагрев стали довольно существенными. Кроме того, появились случаи перегрева тонких контактов разъема. Поэтому большинство обычных зарядный устройств дают на выходе до 2А, а зарядка по-прежнему длится часами.
Что такое быстрая зарядка?
Это зарядка токами 1С и выше, то есть токами, кратными емкости аккумулятора. Например, 1А для емкости 1000 м·Ач и так далее. Поначалу такой режим считался крайне неблагоприятным для литий-ионных батарей. Но со временем ситуация изменилась — зарядка током 1С уже не вызывает заметного снижения ресурса у современных аккумуляторов, а зарядка током в 2С приводит к потере примерно 20 % емкости через 500–800 циклов заряда-разряда. Да, если пользоваться быстрой зарядкой ежедневно, через пару лет вы заметите падение емкости. Но вряд ли из-за этого стоит отказываться от возможности зарядить телефон за полчаса.
Чтобы не было потерь на тонких проводах, режимы быстрой зарядки используют повышенное напряжение в кабеле. ЗУ может выдавать напряжение до 20В, а в гаджете оно понизится до требуемых 5В с соответствующим увеличением тока. Например, если ЗУ обеспечивает напряжение 20В и ток 2А, то на аккумуляторе будут 5В и 8А.
Для сохранения совместимости со старыми ЗУ и компьютерными USB, новым зарядным устройствам пришлось «поумнеть» — теперь они не сразу выдают максимальные ток и напряжение, а только после получения запроса от гаджета. К сожалению, способы «общения» ЗУ и гаджета у каждого производителя свои.
Типы быстрой зарядки
Quick Charge — стандарт компании Qualcomm, поддерживается устройствами, собранными на базе чипсетов Snapdragon, начиная с 2013 г. Максимальный поддерживаемый ток — 3А и 5A в версии 4, напряжение может меняться от 3,6 до 20 В, а также до 22 в версии 3 и до 21 в 4+. Стандарт теоретически обеспечивает до 100 Вт мощности, но практически такая мощность устройствами не поддерживается, а штатные ЗУ выдают всего 18 Вт. Контроль температуры в стандарт не вписан, так что нередки случаи перегрева при быстрой зарядке. Сейчас большинство производителей смартфонов обеспечивают контроль температуры при использовании QC. А стандарт QC 4 имеет полную поддержку протокола Power Delivery.
Adaptive Fast Charging компании Samsung основан на Quick Charge 2 и частично с ним совместим, поэтому заряжать его от ЗУ с поддержкой QC 2 можно, но зарядка идет медленнее, чем от штатного. Контроль температуры есть, так что зарядка безопасна.
Motorola Turbopower компанией Lenovo так же разработан на основе стандарта Quick Charge 2, с которым полностью совместим. Отличия незначительны, основное заключается не в самом стандарте, а в наличии штатного ЗУ Motorola на 25 Вт против 18 Вт у поддерживающих QC 2. По скорости зарядки уступает QC и PD последних версий.
Huawei Super Charge применяется на устройствах Huawei и тоже основан на Quick Charge 2. Напряжение может достигать 5В, ток — 5А, давая в итоге максимальную мощность 25 Вт. По скорости зарядки уступает QC и PD последних версий.
Pump Express разработан компанией MediaTek и поддерживается гаджетами, собранными на базе SoC этого производителя. Он также основан на Quick Charge 2, и полностью с ним совместим. Его мощность ограничена 15 Вт, поэтому на емких аккумуляторах он покажет меньшую скорость зарядки по сравнению с другими стандартами. Зато в Pump Express есть контроль температуры аккумулятора, что значительно повышает безопасность зарядки.
Быстрая зарядка Apple совместима с Power Delivery. ЗУ Apple может выдавать до 87 Вт, что позволяет быстро зарядить не только все модели iPhone, начиная с 8, но и емкие аккумуляторы iPad Pro и MacBook 12.
Oppo Vooc (и основанный на ней Dash Charge) выбиваются из остального ряда — это оригинальные, ни с чем не совместимые стандарты. Используются на устройствах OnePlus и Oppo. Зарядное устройство выдает до 25 Вт мощности. Из-за несовместимости стандартов быстрая зарядка осуществима только с помощью оригинальных зарядного устройства и кабеля.
Power Delivery — наиболее перспективный стандарт быстрой зарядки, разработанный консорциумом USB в 2015 году. Стандарт поддерживает напряжения питания до 20 В и ток до 3А, что в итоге дает до 60 Вт мощности. А наиболее перспективным он считается из-за того, что «встроен» в новый стандарт USB 3.1 и теперь любые устройства, использующие разъем Type-C, должны либо поддерживать Power Delivery, либо смириться с недовольством пользователей, пытающихся заряжать гаджеты от ЗУ с поддержкой PD. Apple и Qualcomm уже выбрали первый вариант.
USB 3.1 + Power Delivery = некоторые проблемы
Теперь «умным и быстрым» ЗУ может быть любое устройство, поддерживающее USB 3.1. Заряжаемое устройство определит возможности заряжающего порта, измерив сопротивление между парой контактов разъема — CC и Vbus. Если порт может выдать максимум 0,9 А, как обычный порт USB 3.0, сопротивление будет равно 56 кОм, 22 кОм «скажут» гаджету, что ЗУ может выдать до 1,5 А, а 10 кОм — 3А.
Но как быть с кабелями-переходниками с Type-C на USB 2.0? У первого — 24 контакта, у второго — всего 4, а тех, между которыми ЗУ должно выставлять сигнальное сопротивление, просто нет. Консорциум USB решил встраивать резисторы прямо внутрь кабеля: 10 кОм в кабеля для мощных ЗУ, 22 кОм — для ЗУ с выходным током 1,5 А, ну и для 0,9 А — 56 кОм.
А если перепутать? Чаще всего — ЗУ не даст максимального тока и зарядка будет идти в разы дольше. Если же ЗУ попытается дать гаджету ток больше, чем оно способно, то может выйти из строя, а в худшем случае — испортить и гаджет.
Масла в огонь подлили китайцы, начав засовывать резисторы 10 кОм во все кабели-переходники с Type-C на USB 2.0. В том числе и в дешевые тонкожильные, неспособные выдержать те 3А, которые он якобы должен пропускать.
Чтобы всем стало совсем «весело», консорциум USB регламентировал установку в кабели Type-C маркирующей микросхемы eMarker, информирующей оба подключенных к нему устройства о возможностях кабеля. Проблема в том, что дорогостоящий кабель с микросхемой eMarker может быстро сгореть на паре ЗУ–гаджет, поддерживающей какой-нибудь стандарт быстрой зарядки, отличной от Power Delivery. eMarker питается от 5В, а тот же QickCharge 2 и все основанные на нем протоколы запросто могут поднять напряжение питающей линии до 18 В.
Вывод один — не используйте для быстрой зарядки «случайные» кабели. Это особенно важно для кабелей с разъемами Type-C, но актуально и для старых разъемов: невооруженным глазом не заметить, что у кабеля сечение жил меньше и разъем контактирует неплотно. В результате зарядка будет идти намного дольше, и это еще не самое худшее: возникающий из-за искрения контактов нагрев может привести к повреждению разъема или вообще к воспламенению прилегающего пластика. Настоятельно рекомендуется не пользоваться для зарядки «чужими» проводами, пусть они и выглядят подходящими.