Понимание требований к пусковому току USB

Что касается предыдущего вопроса , я пытаюсь понять требования USB 2.0 для пускового тока. Я понимаю основную идею, но некоторые детали все еще неясны для меня. В спецификации , в частности, говорится, что:

Максимальная нагрузка (CRPB), которая может быть размещена на выходном конце кабеля, составляет 10 мкФ
параллельно с 44 Ом. Емкость 10 мкФ представляет собой любой обходной конденсатор, напрямую подключенный к линиям VBUS в функции, плюс любые емкостные эффекты, видимые через регулятор в устройстве. Сопротивление 44 Ом представляет собой единицу нагрузки тока, потребляемого устройством во время подключения.

Если в устройстве требуется большая емкость байпаса, тогда устройство должно включать некоторую форму ограничения импульсного тока VBUS, чтобы оно соответствовало характеристикам вышеуказанной нагрузки.

Интерфейс USB-IF также предоставляет описание теста пускового тока:

Пусковой ток измеряется в течение минимум 100 миллисекунд после подключения. Присоединение определяется в тот момент, когда VBus и контакты заземления штекера соединяются с розеткой.
Любой ток, превышающий 100 мА в течение интервала 100 мс, считается частью события пускового тока. Пусковой ток делится на регионы. Область - это интервал, в котором ток превышает 100 мА до тех пор, пока ток не станет ниже 100 мА в течение не менее 100 мкс. В течение периода 100 мс может быть несколько областей запуска. Проход / провал определяется регионом, имеющим самый высокий заряд.

Это ясно, насколько это возможно, но оно дает только минимальное время измерения, и в нем не прописано, какой алгоритм применяется к областям броска, чтобы прийти к решению о прохождении / неудаче. Я думаю, что идея заключается в том, что в регионах, где ток превышает 100 мА, ток интегрируется, чтобы получить общий заряд, передаваемый в течение этого окна, и общий заряд не должен быть больше, чем тот, который вы получили бы с 10 мкФ // 44 Нагрузка Согласно одному источнику , это будет 5 В * 10 мкФ = 50 мкС. Вот где мое понимание становится немного шатким.

Чтобы помочь мне понять, я проанализировал следующую схему :

[Сопротивление R1 не является частью какой-либо спецификации, но мне нужно, чтобы оно делало математику, и я могу позволить ему обнуляться по мере необходимости.] Ток начинается с и экспоненциально затухает до с постоянной времени .V 1 / ( R 1 + R 2 ) ( 1 / R 1 + 1 / R 2 ) - 1 C $V_1/R_1$$V_1/(R_1 + R_2)$$(1/R_1 + 1/R_2)^{-1} C_1$

Общая сумма, переведенная в момент времени , составит$t$

В пределе, когда стремится к нулю, это упрощает$R_1$

Одна часть, которую я не понимаю, это то, что при 5 В от шины USB и предписанной нагрузке 44 Ом всегда будет ток 5 В / 44 Ом = 114 мА, что больше предела 100 мА, описанного в указанном USB -IF тест, а также нагрузка, превышающая максимально допустимую единицу (т.е. 100 мА), допустимую для функции USB с низким энергопотреблением (спецификация USB 2.0, раздел 7.2.1). В случае ограничения R1 = 0 этот ток будет потреблять столько же заряда, сколько конденсатор (т.е. 50 мкС) в R2 * C1 = 440 мкс.

Таким образом, вопрос, если вы все еще читаете, состоит в том, что именно означает «[соответствовать] характеристикам вышеуказанной нагрузки» (т.е. 44 Ом параллельно 10 мкФ), и как описывается описанный USB-IF бросок текущий тест решит, сколько тока слишком много?

Благодарю.

Ответ: никто не знает.

Ну, кто-то знает, но тест прохождения / неудачи при броске считается конфиденциальной информацией, и как USB-IF не публикует информацию об этом определении по причинам, которые они должны знать. Я знаю, что это не очень удовлетворительный ответ, но это простая истина.

Чтобы процитировать страницу с тестами на соответствие электрическим требованиям (текст выделен красным, чтобы вы знали, что они даже более серьезны, чем обычный уровень серьезности USB-IF):

ПРИМЕЧАНИЕ. Некоторые из следующих утвержденных тестовых решений используют проприетарное программное обеспечение для оценки качества сигнала и определения текущих событий. Единственный официальный инструмент для анализа качества сигнала и пускового тока - это USBET20, опубликованный USB-IF. Обязательно запустите качество захваченного сигнала и данные тестового пускового тока через USBET для официальной оценки измерения.

Таким образом, они прямо заявляют, что вы не можете сделать определение, используя только захват формы сигнала или функцию «USB inrush test» нескольких осциллографов (я никогда не видел этого, поэтому я не должен использовать достаточно дорогие осциллографы), недопустимым и единственным способом Соответствие пусковому току соответствует требованиям, если USBSET20 сообщает, что ваше устройство соответствует требованиям. Он принимает данные в формате .tsv / .csv и собирает данные о соответствии требованиям USB (в формате html).

Со страницы загрузки USB-инструментов:

USBET20 (8 МБ, август 2016 г.) - это автономный инструмент анализа электрических сигналов для тестирования на соответствие USB. USBET20 - это официальный инструмент для электрического анализа соответствия, который выполняет оценку «годен / не годен» для качества сигнала и данных пускового тока, полученных с осциллографа.

Более подробно, они сообщают вам только минимальное время измерения, потому что это все, что вам нужно знать. Вам не нужно знать, как выполняется фактическое прохождение / провал, и, действительно, они не говорят. USB-IF готов сообщить вам, если вы соответствуете требованиям, но они никому не сообщают, как они на самом деле это определяют (по крайней мере, для пускового тока).

Эта максимальная нагрузка в нисходящем направлении является спецификацией, относящейся к вышестоящему устройству (хост-порту или концентратору). Это означает, что при проектировании одного из них, а НЕ периферийного устройства, этот концентратор или порт должен выдерживать максимальную нагрузку в нисходящем направлении резистора 44 Ом и Конденсатор 10 мкФ параллельно. И вы абсолютно правы - это может потреблять до 25 мА сверх предела 100 мА в самых экстремальных условиях. Как таковое, вышестоящее устройство должно быть способно выдерживать такую ​​нагрузку («обрабатывать», то есть не испытывать более чем падение напряжения 330 мВ) при подключении.

Однако если бы ваша периферия была такой нагрузкой, она бы не соответствовала требованиям, потому что она потребляет более 100 мА в некотором (по существу, во всех) диапазоне возможных напряжений. Эта нагрузка предназначена исключительно для наихудшего сценария проектирования для вышестоящих устройств и используется для их тестирования. Это не относится к тесту на соответствие пускового тока.

Что важно, так это то, что на самом деле речь не идет о текущем Это касается заряда, так что вы уже на правильном пути с этим. В частности, речь идет о падении напряжения. Входной порт на концентраторе должен иметь не менее 120 мкФ очень низкой емкости ESR на своем выходном VBUS, при этом шина питает нисходящие периферийные устройства.

Хост или концентратор с питанием, вырабатывающий выходное напряжение в наихудшем случае (4,75 В), проходящий через самые хреновые разъемы, самый дерьмовый кабель, к неэнергетическому хабу, который также использует самые хрупкие разъемы, затем этот хаб дополнительно имеет самое хреновое входное напряжение VBUS для выхода VBUS. / падение напряжения на выходе (350 мВ), напряжение будет 4,4 В. То, что 4,4 В, подключенное через дрянные разъемы к дрянной периферии, может привести к тому, что оно увидит реальное абсолютное минимальное напряжение для устройства с низким энергопотреблением: 4,35 В. Со страницы 175 спецификации USB 2.0:

Давайте сделаем немного математики. концентратор на входе без питания должен иметь емкость на входе 120 мкФ. При напряжении 4,4 В * 120 мкФ это 528 мкС заряда. Подключенное устройство имеет конденсатор 10 мкФ. Если вы делаете вид, что нет статической нагрузки или питания, только заряженный конденсатор на порте и незаряженный 10 мкФ на периферийном устройстве, заряд будет распределяться не до тех пор, пока другой не заполнится, а до тех пор, пока напряжение между ними не станет равным. Заряд сохраняется, поэтому точка, в которой напряжения двух конденсаторов будут равны друг другу при 528 мкС начального заряда, составляет примерно 4,06 В. Или 40,6 мкС перенесено. Добавьте в разъем сопротивления, и конденсатор ниже по потоку даже не сможет потреблять такой большой заряд во время пускового тока.

Таким образом, буквально единственным важным фактором является то, что он не превышает 10 мкФ. Ток на самом деле не имеет значения, его истощение может привести к истощению емкости выходного порта концентратора без снижения более чем на 330 мВ во время переходного процесса, прежде чем такие вещи, как индуктивность кабеля, дадут время для того, чтобы фактическая мощность хоста увеличилась. И конденсатор на 10 мкФ - самое близкое доступное значение, которое не сделает этого.

Также обратите внимание, что нет ограничения по емкости. Вы можете иметь 1F всей керамической емкости на устройстве ниже по потоку, при условии, что она разделена на секции 10 мкФ, и только одна из них будет подключена к насадке. Как только устройство подключено, вы должны оставаться ниже любого шага 10 мкФ , но вы можете постепенно «подключать» большую емкость с шагом 10 мкФ. Весь смысл в том, чтобы избежать этого переходного процесса.

И да, это означает, что маломощное периферийное устройство должно не только работать до 4,35 В, но и выдерживать переходный скачок напряжения 330 мВ, например, когда к концентратору подключено что-то новое. Это также означает, что теоретически, если вы подключили два устройства в ПРОСТО в правильное время, чтобы они были почти одновременными, вы могли нарушить работу других устройств на концентраторе без питания. Я уверен, что роботы с их HPET будут использовать этот критический недостаток в нашей спецификации шины USB, чтобы вызвать наш провал.

Теперь, возможно, есть другие тонкие аспекты, такие как скорость dI / dT или что-то еще. Кто точно знает, что включено в проходной тест. Учитывая, что у них есть программа установки размером 7,5 МБ для программы, которая выполняет этот тест, вероятно, можно с уверенностью предположить, что это не что-то простое. Но просто имейте в виду, что вы пытаетесь избежать чрезмерного истощения емкостей с конденсаторами выше по течению своей собственной емкостью на выходе, и это действительно все, что нужно сделать. Пока вы не заставите другие устройства выходить из строя из-за переходного напряжения, которое может вызвать ваша периферия, все будет в порядке. И действительно, это просто означает, что емкость, видимая при подключении или других изменениях состояния питания, составляет 10 мкФ. На самом деле было бы лучше попытаться сделать это меньше, 10 мкФ это максимум. Я не Не знаю, с чего началась идея, что абсолютным максимумом должна быть начальная «стандартная» емкость, но хорошие инженеры знают лучше, чем стремиться к максимальным значениям. Всегда недооценивай. Мне нравится хороший 4,7 мкФ конденсатор. Если вам нужно больше развязки, все, что вам нужно сделать, это не подключить его напрямую к VBUS и ограничить его до 100 мА, и вы получите отличный результат. Но вам разрешено превышать 100 мА, если во время региона передается заряд только на 40,6 мкС.

Не беспокойтесь о пусковом токе. Тест пускового тока на самом деле не касается пускового тока.

Пусковое тестирование указано в обновлениях соответствия требованиям USB-IF, http://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45 .

Пусковой ток измеряется в течение минимум 100 миллисекунд после подключения. Присоединение определяется в тот момент, когда VBus и контакты заземления штекера соединяются с розеткой. Любой ток, превышающий 100 мА в течение интервала 100 мс, считается частью события пускового тока. Пусковой ток делится на регионы. Область - это интервал, в котором ток превышает 100 мА до тех пор, пока ток не станет ниже 100 мА в течение не менее 100 мкс. В течение периода 100 мс может быть несколько областей запуска. Проход / провал определяется регионом, имеющим самый высокий заряд.

Пропуск / сбой составляет 50 мкС или 5 В x 10 мкФ (@metacolin учитывает спад, а USB - нет).

Вы можете аппроксимировать бросок, посмотрев на захват области тока и рассчитав область (i * dt) выше 100 мА для каждой области, и проверить область наихудшего случая в течение 100 мс после присоединения.

USBET выполняет расчеты на основе данных .csv.

Фактический пиковый ток сам по себе не имеет значения.

Это спецификация для USB-концентратора или хост-адаптера. Модель «черного ящика» представляет типичную нагрузку для импульсных испытаний, однако для спецификации требуется только 1 мкФ мин. На периферии, 10 мкФ считается стандартной нагрузкой. Поскольку конденсаторы бывают всех видов с ESR всего 10 мОм, скачок будет ограничен ESR крышки и сопротивлением кабеля 1 или 1,5 м. Если кабелем и разъемами пренебречь или 0 Ом, теоретически это может быть скачок 500 А = 5 В / 0,01 Ом ESR.

На практике это будет намного меньше, но дело в том, что хост должен быть в состоянии предотвратить состояние пониженного напряжения независимо от ESR крышки.

Как это сделать, зависит от дизайнера.

Так что твой вопрос ...

Как описанный тест пускового тока USB-IF определяет, какой ток слишком велик?

Ответ: Поскольку напряжение хоста находится в пределах спецификации для напряжения, поэтому другие порты не видят состояние вне спецификации из-за скачка пускового тока с горячей заменой. Это цель этого теста.

Кроме того, если в ходе теста не обнаруживается скачок напряжения> 100 мА во время теста черного ящика, он может не обнаружить устройство с горячей вставкой с нагрузкой не менее 1 мкФ. Таким образом, ожидается минимальный всплеск и нет максимального пика, но есть максимальная продолжительность.