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Micro USB故障引发的USB电源适配器学习

Brian Dipert?? 2015年12月01日 ?? 收藏1
最无伤大雅的小故障有时也会发展为较大的工程师练习和学习的机会。有一天,我在后院的露天平台上看书,书名是《冰与火之歌》系列中的第一册《权力的游戏》。确切地说,我是在谷歌的Nexus 7(2013版)平板电脑上用Kindle应用看这本书。刺眼的太阳光(很少见,至少这个夏天还很少见)照得我看不清LCD屏,因此我跑到室内想拿Kindle Keyboard阅读器出来看书。但我很受打击,因为这个电子书阅读器已经完全没电了。

阅读器配套的USB转Micro USB充电线深藏在我的公文包内,因此我顺手抓起了桌上放着的、最近才买的三星5英尺电缆。我把这根线的一头连接阅读器,另一头插进同样就在手边的苹果10W USB电源适配器,结果……什么事也没发生。

Kindle Keyboard阅读器底部的橙色(表示充电,电充满后变绿色)LED并没有点亮,电子墨水屏也没有任何指示。我又尝试用另外两个多端口USB充电器来给三星电缆加上Kindle Keyboard组合进行充电,一个是提供1A和2A输出选项的Orico DCT-5U,它提供OTG(便携式)兼容端口对:

图1

另一个是Sabrent AX-U5PB,通常它的5个USB端口每个都能提供2A电流。

图2

这两款充电器的端口都不起作用,这不禁让我怀疑手边的电缆有问题。然而我有种预感,我把三星电缆连到我的两个安卓智能手机上,一个是HTC One M7,另一个是摩托罗拉的第一代Moto X……它们都愉快地报告正在很好地充电,不管是用三个电源适配器中的哪个,也不管选用多端口中的哪个电流输出选项,都能正常充电。

难道我的Kindle Keyboard坏了?也没有,因为我把原配的电缆从公文包中找出来给它充电是好好的。难道这根电缆有什么特殊之处?我同时购买的另外4条三星普通电缆都可以正常使用。这根特定的三星电缆对Kindle Keyboard来说可能存在某些缺陷。在我写这篇文章之时A4C正在给这条电缆换货,但我仍然非常好奇。

我所学的知识并没有让我得出任何明确的结论,但使我对USB电源适配器以及需要充电的设备的设计师肃然起敬。首先,作为提醒,USB硬件标准通常是带屏蔽的四线配置:一对双绞线用于半双工差分数据(USB 3.0另外增加了两对双绞线,用于支持全双工和更高的速度),一根5V电源线,一根地线。Micro USB连接器增加了第5个“ID”引脚用于支持OTG,该引脚在主机侧接地,在设备侧处于悬浮状态。

我最初怀疑三星电缆中的5V线可能无法提供足够的电流给Kindle Keyboard充电。事实上,所用的线缆直径会显著影响充电速度和数据传输带宽;著名的消费电子评论网站Wirecutter专门根据这些特定的参数对各种线缆进行了测试和分类。但鉴于我的两部安卓智能手机都能使用这同一根电缆正常充电(没有弹出充电缓慢的告警消息),我怀疑5V线是罪魁祸首。互联网上涉及这个主题的参考意见提醒我注意电缆外壳的线径标志;但我的电缆上没有线径标志,倒是在这根长5英尺的电缆上重复多次出现了以下的字母数字组合(???代表我不认识的符号):

B239426-C5 ??? AWM 21100 80oC 30V VW-1 ...... C??? I/II A 80oC 30V FT1 HONGLIN NON-PVC

我从概念上早就知道,在第一次通过电缆连接时,充电器和设备会进行一次初始协商过程,用来确定设备的最大可接受的电流消耗以及充电器最大可能的输出电流。我认为这个握手过程本质上是模拟的(并且基于5V线);设备会测量充电器是否能够输出设备“接收器”能够接受的最大电流,如果不能,会根据“更低”的可用电流量作出评估和调整。

基于数据线的情况则更加复杂,这也解释了为何我过去经历过其它一些充电器+电缆+设备组合无法成功实现充电的情形。我引用下述文字进行说明:

设备制造商竞争激烈,目前还没有一个标准的协商过程——有点类似于讲六国语言。

苹果从iPhone开始——因为最初的USB规范对高速电池充电没有设立标准,因此苹果提出了自己的“电子签名”方案。

如果一部iPhone或iPad遇到D+线是2.0VDC、D-线是2.7VDC的USB端口,那么它就会判定这个端口是可以提供1000mA电流的苹果iPhone(DCP)充电器。如果电压反过来(D+/D-线分别是2.7V/2.0V),那么它一定是最大可提供2000mA的iPad充电器。

但事情至此还没有结束。虽然USB论坛发布了一个通用的“签名”标准,但其它制造商提出了他们自己的签名方案,因此目前市场上至少有6种D+/D-签名方案:

·2.0V/2.0V – 低功耗(500mA)

·2.0V/2.7V – Apple iPhone (1000mA/5watt)

·2.7V/2.0V – Apple iPad (2100mA/10watt)

·2.7V/2.7V – 12watt (2400mA, 可能是黑莓在使用)

·D+/D- 短路在一起 – USB-IF BC 1.2 标准

·1.2V/1.2V – 三星设备

目前,前面4种基于电阻的电压检测方案被认为是“传统”模式,而我们相信所有新设备会使用基于芯片的检测方法。

然而,由于市场上有成千上万的“传统”设备(以及更多的交流适配器),这些方案仍必须认真应对。像TI公司的TSP2514 和TSP2543、Microchip公司的USB2534以及意法半导体公司的STCC5011都可以处理这些多种多样的签名组合。

因此如果我必须要赌一把的话,应该是两根数据线中的一根有问题,要么就是电阻高了(为电缆的5英尺长度所累),要么完全开路,或者跟另一个短路了。安卓的智能手机能够轻松处理这种被改变的线缆情形,但Kindle Keyboard看不到要找的东西,因此完全放弃了充电企图。我猜想如果我用这根不好的电缆在安卓手机间传送数据,而不是给它们充电,其结果也不会好到那儿去。

《电子技术设计》12月刊版权所有,谢绝转载。


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USB? 电源适配器?

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