Первоначальные версии стандарта USB предусматривали разъемы, которые были просты в использовании и имели приемлемый срок службы; В версии стандарта добавлены разъемы меньшего размера, полезные для компактных портативных устройств. Более скоростное развитие стандарта USB привело к появлению другого семейства разъемов, обеспечивающих дополнительные пути передачи данных. Во всех версиях USB указаны свойства кабеля; Кабели версии 3. x включают дополнительные пути передачи данных. Стандарт USB включал питание периферийных устройств ; Современные версии стандарта расширяют пределы мощности для зарядки аккумуляторов и устройств, требующих до 240 Вт . USB был выбран в качестве стандартного формата зарядки для многих мобильных телефонов , что сокращает распространение фирменных зарядных устройств.
В отличие от других шин данных (таких как Ethernet ), USB-соединения являются направленными; Хост-устройство имеет «нисходящие» порты, которые подключаются к «восходящим» портам устройств. Только выходные порты обеспечивают питание; эта топология была выбрана для облегчения предотвращения электрических перегрузок и повреждения оборудования. Таким образом, USB-кабели имеют разные концы: A и B, с разными физическими разъемами для каждого. Каждый формат имеет вилку и розетку, определенные для каждого из концов A и B. USB-кабель по определению имеет вилку на каждом конце — один A (или C) и один B (или C), — а соответствующая розетка обычно находится на компьютере или электронном устройстве. Мини- и микроформаты могут подключаться к розетке AB, которая принимает вилку A или B, причем эта вилка определяет поведение розетки.
Три размера USB-разъемов представляют собой формат по умолчанию, или стандартный , предназначенный для настольного или портативного оборудования, мини-разъемы предназначены для мобильного оборудования, который устарел, когда он был заменен более тонким разъемом микро- размера, все из которых устарели в USB 3.2 в в пользу Type-C. Существует пять скоростей передачи данных через USB: низкая скорость, полная скорость, высокая скорость (начиная с версии спецификации 2.0), SuperSpeed (начиная с версии 3.0) и SuperSpeed+ (начиная с версии 3.1). Режимы имеют разные требования к оборудованию и кабелям. USB-устройства имеют некоторый выбор реализованных режимов, и версия USB не является надежным показателем реализованных режимов. Режимы идентифицируются по названиям и значкам, а в спецификации предполагается, что вилки и розетки имеют цветовую маркировку (SuperSpeed обозначается синим цветом).
Разъемы, которые определяет комитет USB, соответствуют ряду основных целей USB и отражают уроки, извлеченные из многих разъемов, используемых в компьютерной промышленности. Разъем, установленный на хосте или устройстве, называется розеткой , а разъем, прикрепленный к кабелю, называется вилкой . [1] В официальных документах по спецификациям USB также периодически определяется термин «папа» для обозначения вилки и «мама» для обозначения розетки, хотя такое использование несовместимо с устоявшимися определениями пола разъема. [2] [ нужны разъяснения ]
По конструкции USB-штекер сложно неправильно вставить в розетку. Спецификация USB требует, чтобы вилка и розетка кабеля были помечены, чтобы пользователь мог определить правильную ориентацию. [1] Однако разъем USB-C является двусторонним. Кабели USB и небольшие USB-устройства удерживаются на месте за счет силы захвата со стороны розетки без использования винтов, зажимов или поворотов большого пальца, как в других разъемах.
Различные вилки A и B предотвращают случайное подключение двух источников питания. Однако некоторая часть этой направленной топологии теряется с появлением многоцелевых USB-соединений (таких как USB On-The-Go в смартфонах и Wi-Fi-маршрутизаторах с питанием от USB), для которых требуются соединения A-A, B- to-B, а иногда и Y/разветвитель. Более подробное сводное описание см. в разделе «Разъемы USB On-The-Go» ниже.
Существуют так называемые кабели со штекерами А на обоих концах, что может быть допустимо, если «кабель» включает в себя, например, USB-устройство передачи данных между хостами с двумя портами. [3] По определению это устройство с двумя логическими портами B, каждый из которых имеет невыпадающий кабель, а не кабель с двумя концами A.
Стандартные разъемы были разработаны так, чтобы быть более надежными, чем многие предыдущие разъемы. Это связано с тем, что USB поддерживает горячую замену , и разъемы будут использоваться чаще и, возможно, с меньшей осторожностью, чем предыдущие разъемы.
Стандартный USB имеет минимальный номинальный срок службы 1500 циклов вставки и извлечения, [4] разъем Mini-USB увеличил этот срок до 5000 циклов, [4] а новые разъемы Micro-USB [4] и USB-C предназначены для минимальный номинальный срок службы составляет 10 000 циклов вставки и удаления. [5] Для этого было добавлено запирающее устройство, а листовая пружина была перенесена с разъема на вилку, так что наиболее нагруженная часть соединения находится на стороне кабеля. Это изменение было сделано для того, чтобы разъем менее дорогого кабеля подвергался наибольшему износу . [4] [ нужна страница ]
В стандартном USB электрические контакты в разъеме USB защищены прилегающим пластиковым язычком, а весь соединительный узел обычно защищен металлической оболочкой. [4]
Корпус вилки соприкасается с розеткой раньше любого из внутренних контактов. Корпус обычно заземляется для рассеивания статического электричества и экранирования проводов внутри разъема.
Стандарт USB определяет допуски для совместимых разъемов USB, чтобы свести к минимуму физическую несовместимость разъемов разных производителей. Спецификация USB также определяет ограничения на размер подключаемого устройства в области вокруг его разъема, чтобы соседние порты не блокировались. Соответствующие устройства должны либо соответствовать ограничениям по размеру, либо поддерживать соответствующий удлинительный кабель.
USB 2.0 использует два провода для питания (V BUS и GND) и два для дифференциальных сигналов последовательных данных . Заземляющие соединения мини- и микроразъемов перенесены с контакта № 4 на контакт № 5, а их контакт № 4 служит идентификационным контактом для идентификации хоста/клиента On-The-Go. [6]
USB 3.0 предоставляет две дополнительные дифференциальные пары (четыре провода, SSTx+, SSTx-, SSRx+ и SSRx-), обеспечивая полнодуплексную передачу данных со скоростью SuperSpeed , что делает его похожим на Serial ATA или однополосный PCI Express .
USB-порты и разъемы часто имеют цветовую маркировку, чтобы различать их различные функции и версии USB. Эти цвета не являются частью спецификации USB и могут различаться у разных производителей; например, спецификация USB 3.0 требует соответствующей цветовой кодировки, но рекомендует только синие вставки для разъемов и вилок USB 3.0 стандарта A. [8]
Типы USB-разъемов увеличивались по мере развития спецификации. В исходной спецификации USB подробно описаны вилки и розетки стандартов A и B. Разъемы были разными, поэтому пользователи не могли подключить одну компьютерную розетку к другой. Контакты для передачи данных в стандартных разъемах утоплены по сравнению с контактами питания, поэтому устройство может включиться перед установкой соединения для передачи данных. Некоторые устройства работают в разных режимах в зависимости от того, установлено ли соединение для передачи данных. Зарядные док-станции обеспечивают питание и не включают в себя хост-устройство или контакты для передачи данных, что позволяет любому совместимому USB-устройству заряжаться или работать от стандартного USB-кабеля. Зарядные кабели обеспечивают подключение питания, но не передачу данных. В кабеле, предназначенном только для зарядки, провода передачи данных закорочены на конце устройства, в противном случае устройство может отклонить зарядное устройство как непригодное.
Максимально допустимое поперечное сечение формованного чехла (который является частью разъема, используемого для его перемещения) составляет 16 на 8 мм (0,63 на 0,31 дюйма) для вилки стандартного типа A, а для типа B — 11,5 мм. на 10,5 мм (0,45 на 0,41 дюйма). [2]
Разъемы Mini-USB были представлены вместе с USB 2.0 в апреле 2000 года и в основном используются с небольшими устройствами, такими как цифровые камеры , смартфоны и планшетные компьютеры . Разъем Mini-A и разъем Mini-AB устарели с мая 2007 года. [11] Разъемы Mini-B по-прежнему поддерживаются, но не совместимы с On-The-Go ; [12] Разъем Mini-B USB был стандартным для передачи данных на и обратно на ранних смартфонах и КПК. Размер вилок Mini-A и Mini-B составляет примерно 3 на 7 мм (0,12 на 0,28 дюйма). К розетке Mini-AB можно подключить вилку Mini-A или Mini-B.
Разъемы Micro-USB, анонсированные USB-IF 4 января 2007 г. [13] [14], имеют ширину, аналогичную Mini-USB, но примерно вдвое меньшую толщину, что позволяет их интегрировать в более тонкие портативные устройства. Разъем Micro-A имеет размеры 6,85 на 1,8 мм (0,270 на 0,071 дюйма) с максимальным размером запрессованного чехла 11,7 на 8,5 мм (0,46 на 0,33 дюйма), а разъем Micro-B - 6,85 на 1,8 мм (0,270 на 0,071 дюйма). ) с максимальным размером формовки 10,6 на 8,5 мм (0,42 на 0,33 дюйма). [7]
Более тонкие разъемы Micro-USB были предназначены для замены разъемов Mini в устройствах, выпускаемых с мая 2007 года, включая смартфоны , персональные цифровые помощники и камеры.< [15]
Конструкция вилки Micro рассчитана как минимум на 10 000 циклов подключения-отключения, что больше, чем у конструкции вилки Mini. [13] [16] Разъем Micro также предназначен для уменьшения механического износа устройства; вместо этого кабель, который легче заменить, рассчитан на механический износ при подключении и отключении. В спецификации кабелей и разъемов Micro-USB для универсальной последовательной шины подробно описаны механические характеристики вилок Micro-A , розеток Micro-AB (которые подходят как для вилок Micro-A, так и для Micro-B), двусторонних вилок Micro-USB и Micro-B. и розетки [16] вместе с розеткой Standard-A для вилочного адаптера Micro-A.
Micro-USB был одобрен в качестве стандартного разъема для передачи данных и питания на мобильных устройствах группой операторов сотовой связи Open Mobile Terminal Platform (OMTP) в 2007 году. [17]
Micro-USB был признан Международным союзом электросвязи (ITU) «универсальным решением для зарядки» в октябре 2009 года. [18]
В Европе микро-USB стал общепринятым внешним источником питания (EPS) для использования со смартфонами, продаваемыми в ЕС, [19] и 14 крупнейших мировых производителей мобильных телефонов подписали общий Меморандум о взаимопонимании ЕС по EPS (MoU). [20] [21] Apple , одна из первых сторон, подписавших Меморандум о взаимопонимании, предоставляет адаптеры Micro-USB — как это разрешено в Меморандуме о взаимопонимании Common EPS — для своих iPhone, оснащенных фирменным 30-контактным док-разъемом Apple или (позже) разъемом Lightning . [22] [23] в соответствии с CEN , CENELEC и ETSI .
В USB 3.0 появились вилки и розетки Type-A SuperSpeed, а также миниатюрные вилки и розетки Type-B SuperSpeed. Розетки 3.0 обратно совместимы с соответствующими вилками версии до 3.0.
Вилки и розетки USB 3. x и USB 1. x Type-A предназначены для взаимодействия. Для достижения SuperSpeed USB 3.0 (и SuperSpeed+ для USB 3.1 Gen 2) к неиспользуемой области исходной 4-контактной конструкции USB 1.0 добавляются 5 дополнительных контактов, что делает вилки и розетки USB 3.0 Type-A обратно совместимыми с разъемами USB. 1.0.
На стороне устройства используется модифицированный разъем Micro-B (Micro-B SuperSpeed) для подключения пяти дополнительных контактов, необходимых для реализации функций USB 3.0 (также можно использовать разъем USB-C). Вилка USB 3.0 Micro-B фактически представляет собой стандартную вилку кабеля USB 2.0 Micro-B с дополнительной 5-контактной вилкой, «прикрепленной» сбоку от нее. Таким образом, кабели с 5-контактными разъемами USB 2.0 Micro-B меньшего размера можно подключать к устройствам с 10-контактными розетками USB 3.0 Micro-B и обеспечивать обратную совместимость.
Кабели USB существуют с различными комбинациями вилок на каждом конце кабеля, как показано ниже в таблице кабелей USB .
USB On-The-Go (OTG) представляет концепцию устройства, выполняющего роль как хоста, так и устройства. Все современные устройства OTG должны иметь один и только один разъем USB: розетку Micro-AB. (Раньше, до разработки Micro-USB, в устройствах On-The-Go использовались розетки Mini -AB.)
Розетка Micro-AB поддерживает вилки Micro-A и Micro-B, подсоединенные к любым разрешенным кабелям и адаптерам, как определено в версии 1.01 спецификации Micro-USB.
Чтобы розетки типа AB могли различать, какой конец кабеля подключен, вилки имеют идентификационный контакт в дополнение к четырем контактам в разъемах USB стандартного размера. Этот идентификационный контакт подключен к GND в вилках типа A и остается неподключенным в вилках типа B. Обычно подтягивающий резистор в устройстве используется для обнаружения наличия или отсутствия подключения идентификатора.
Устройство OTG со вставленным разъемом A называется A-устройством и отвечает за питание интерфейса USB, когда это необходимо, и по умолчанию принимает на себя роль хоста. Устройство OTG со вставленным B-разъемом называется B-устройством и по умолчанию выполняет роль периферийного устройства. Устройство OTG без вставленного разъема по умолчанию работает как B-устройство. Если приложению на B-устройстве требуется роль хоста, то протокол согласования хоста (HNP) используется для временной передачи роли хоста B-устройству.
Роль устройств OTG, подключенных либо к B-устройству, предназначенному только для периферийных устройств, либо к стандартному/встроенному хосту, определяется кабелем, поскольку в этих сценариях подключение кабеля возможно только в одном направлении. [ нужна цитата ]
Разъем USB-C заменяет все предыдущие разъемы USB и разъем Mini DisplayPort. Он используется для всех протоколов USB, а также для Thunderbolt (3 и более поздних версий), DisplayPort (1.2 и более поздних версий) и других. Спецификация USB-C 1.0, разработанная примерно в то же время, что и спецификация USB 3.1, но отличающаяся от нее, была завершена в августе 2014 года [24] и определяет новый небольшой разъем с двусторонней вилкой для USB-устройств. [25] Разъем USB-C подключается как к хостам, так и к устройствам, заменяя различные разъемы и кабели типов A и B стандартными, рассчитанными на будущее . [24] [26]
24-контактный двусторонний разъем обеспечивает четыре пары «питание-земля», две дифференциальные пары для данных USB 2.0 (хотя в кабеле USB-C реализована только одна пара), четыре пары для шины данных SuperSpeed (в кабеле используются только две пары). режим USB 3.1), два контакта «использования боковой полосы», V CONN +5 В для питания активных кабелей, а также контакт конфигурации для определения ориентации кабеля и выделенного канала данных конфигурации кода двухфазной маркировки (BMC) (CC). [27] [28] Для подключения старых хостов и устройств к хостам и устройствам USB-C требуются адаптеры и кабели типа A и типа B. Использование адаптеров и кабелей с разъемом USB-C запрещено. [29]
Полнофункциональные кабели USB-C 3.1 содержат полный набор проводов и имеют «электронную маркировку» (E-маркировку): они содержат чип «eMarker», который реагирует на команду USB Power Delivery Discover Identity , своего рода определяемую поставщиком. сообщение (VDM), отправленное по каналу данных конфигурации (CC). С помощью этой команды кабель сообщает о своих текущих мощностях, максимальной скорости и других параметрах. [30] : §4.9 Полнофункциональные устройства USB Type-C являются механическим необходимым условием для многоканальной работы (USB 3.2 Gen 1x2, USB 3.2 Gen 2x2, USB4 2x2, USB4 3x2, USB Gen 4 асимметричный). [30]
Устройства USB-C поддерживают силу тока 1,5 А и 3,0 А по шине питания 5 В в дополнение к базовым 900 мА. Эти более высокие токи можно согласовать через линию конфигурации. Устройства также могут использовать полную спецификацию Power Delivery, используя как линию конфигурации с кодом BMC, так и устаревшую линию V BUS с кодом BFSK . [30] : §4.6.2.1
USB-разъемы подходят к одной розетке, за исключением поддержки USB On-The-Go «AB» и общей обратной совместимости USB 3.0, как показано на рисунке.
Производители персональных электронных устройств могут не включать в свои изделия стандартный разъем USB по техническим или маркетинговым причинам. [32] Например, компания Olympus использует специальный кабель под названием CB-USB8, на одном конце которого имеется специальный контакт. Некоторые производители предоставляют собственные кабели, такие как Lightning , которые позволяют их устройствам физически подключаться к стандартному порту USB. Полная функциональность фирменных портов и кабелей со стандартными портами USB не гарантируется; например, некоторые устройства используют USB-соединение только для зарядки аккумулятора и не реализуют никаких функций передачи данных. [33]
Сигналы D±, используемые на низкой, полной и высокой скорости, передаются по витой паре (обычно неэкранированной) для уменьшения шума и перекрестных помех . SuperSpeed использует отдельные дифференциальные пары передачи и приема , которые дополнительно требуют экранирования (обычно экранированная витая пара, но в спецификации также упоминается Twinax ). Таким образом, для поддержки передачи данных SuperSpeed кабели содержат в два раза больше проводов и имеют больший диаметр. [34]
Стандарт USB 1.1 определяет, что стандартный кабель может иметь максимальную длину 5 метров (16 футов 5 дюймов) для устройств, работающих на полной скорости (12 Мбит/с), и максимальную длину 3 метра (9 футов 10 дюймов) для устройства, работающие на низкой скорости (1,5 Мбит/с). [35] [36] [37]
USB 2.0 обеспечивает максимальную длину кабеля 5 метров (16 футов 5 дюймов) для устройств, работающих на высокой скорости (480 Мбит/с). Основной причиной этого ограничения является максимально допустимая двусторонняя задержка, составляющая около 1,5 мкс. Если USB-устройство не отвечает на команды USB-хоста в течение отведенного времени, хост считает команду потерянной. При добавлении времени отклика USB-устройства, задержек от максимального количества хабов и задержек от подключения кабелей максимально допустимая задержка на один кабель составит 26 нс. [37] Спецификация USB 2.0 требует, чтобы задержка в кабеле была менее 5,2 нс/м ( 1,6 нс/фут , 192 000 км/с ), что близко к максимально достижимой скорости передачи для стандартного медного провода.
Стандарт USB 3.0 напрямую не определяет максимальную длину кабеля, требуя только, чтобы все кабели соответствовали электрическим характеристикам: для медных кабелей с проводами AWG 26 максимальная практическая длина составляет 3 метра (9 футов 10 дюймов). [38]
Разъемы USB «нисходящего потока» подают питание номинальным напряжением 5 В постоянного тока через контакт V_BUS на устройства USB восходящего потока.
Допуск на V_BUS на восходящем (или главном) разъеме изначально составлял ±5% (т.е. мог находиться где угодно в диапазоне от 4,75 В до 5,25 В). С выпуском спецификации USB Type-C в 2014 году и ее мощностью 3 А, USB-IF решил увеличить верхний предел напряжения до 5,5 В для борьбы с падением напряжения при более высоких токах. [39] Спецификация USB 2.0 (и, следовательно, косвенно также и спецификации USB 3. x ) также была обновлена, чтобы отразить это изменение в то время. [40] Ряд расширений спецификаций USB постепенно увеличили максимально допустимое напряжение V_BUS: начиная с 6,0 В для USB BC 1.2, [41] до 21,5 В для USB PD 2.0 [42] и 50,9 В для USB PD 3.1. , [42] , сохраняя при этом обратную совместимость с USB 2.0, требуя различных форм установления связи перед увеличением номинального напряжения выше 5 В.
USB PD продолжает использовать двусторонний допуск 5 % с допустимыми напряжениями PDO ±5 % ±0,5 В (например, для PDO 9,0 В максимальный и минимальный пределы составляют 9,95 В и 8,05 В соответственно). [42]
Существует несколько минимально допустимых напряжений, определенных в разных местах цепочки разъемов, концентраторов и кабелей между вышестоящим хостом (обеспечивающим питание) и нижестоящим устройством (потребляющим мощность). Чтобы учесть падение напряжения, напряжение на хост-порте, порте концентратора и устройстве должно составлять не менее 4,75 В, 4,4 В и 4,35 В соответственно по стандарту USB 2.0 для устройств с низким энергопотреблением, [a], но должно быть на уровне не менее 4,75 В во всех местах для устройств высокой мощности [b] (однако устройства высокой мощности должны работать как устройства с низким энергопотреблением, чтобы их можно было обнаружить и нумеровать при подключении к восходящему порту малой мощности). Спецификации USB 3. x требуют, чтобы все устройства работали при напряжении до 4,00 В на порту устройства.
В отличие от USB 2.0 и USB 3.2, USB4 не определяет собственную модель питания на основе VBUS. Питание для работы USB4 устанавливается и управляется в соответствии со спецификациями USB Type-C и USB PD.
Предел потребляемой мощности устройства указывается для единичной нагрузки , которая составляет 100 мА для устройств USB 2.0 или 150 мА для устройств SuperSpeed (т. е. USB 3.x ) . Устройства с низким энергопотреблением могут потреблять не более 1 единицы нагрузки, и все устройства должны работать как устройства с низким энергопотреблением перед их настройкой. Устройство высокой мощности должно быть настроено, после чего оно может потреблять до 5 единичных нагрузок (500 мА) или 6 единичных нагрузок (900 мА) для устройств SuperSpeed, как указано в его конфигурации, поскольку максимальная мощность не всегда может быть доступна. из восходящего порта. [43] [44] [45] [46]
Концентратор с питанием от шины — это мощное устройство с портами малой мощности. Он потребляет 1 единицу нагрузки для контроллера-концентратора и 1 единицу нагрузки для каждого из максимум 4 портов. Хаб также может иметь некоторые несъемные функции вместо портов. Концентратор с автономным питанием — это устройство, которое обеспечивает порты высокой мощности, дополняя питание хоста собственным внешним источником. При желании контроллер концентратора может потреблять энергию для работы в качестве устройства с низким энергопотреблением, но все порты высокой мощности должны потреблять энергию от собственного источника питания концентратора.
Если устройствам (например, высокоскоростным дисководам) требуется больше энергии, чем может потреблять высокомощное устройство, [47] они функционируют хаотично, если вообще работают, от питания шины одного порта. USB обеспечивает автономное питание этих устройств. Однако такие устройства могут поставляться с Y-образным кабелем с двумя разъемами USB (один для питания и данных, другой только для питания), чтобы получать питание как два устройства. [48] Такой кабель не является стандартным: в спецификации соответствия USB указано, что «использование Y-кабеля (кабеля с двумя A-разъемами) запрещено на любом периферийном устройстве USB», что означает, что «если периферийное устройство USB требуется больше энергии, чем разрешено спецификацией USB, для которой он разработан, тогда он должен иметь автономное питание». [49]
Зарядка аккумулятора USB ( BC ) определяет порт зарядки , который может быть нисходящим портом зарядки (CDP) с данными или выделенным портом зарядки (DCP) без данных. На адаптерах питания USB имеются специальные порты зарядки для питания подключенных устройств и аккумуляторов. Порты зарядки на хосте обоих типов будут помечены. [50]
Зарядное устройство идентифицирует зарядный порт посредством передачи сигналов без передачи данных на терминалах D+ и D-. Специальный порт зарядки обеспечивает сопротивление, не превышающее 200 Ом, на клеммах D+ и D−. [50] : § 1.4.7; таблица 5-3
Согласно базовой спецификации, любое устройство, подключенное к стандартному нисходящему порту (SDP), изначально должно быть устройством с низким энергопотреблением, а режим высокой мощности зависит от последующей конфигурации USB хостом. Однако порты зарядки могут сразу подавать ток от 0,5 до 1,5 А. Порт зарядки не должен ограничивать ток ниже 0,5 А и не должен отключаться при токе ниже 1,5 А или до того, как напряжение упадет до 2 В. [50]
Поскольку эти токи больше, чем в исходном стандарте, дополнительное падение напряжения в кабеле снижает запас по шуму, вызывая проблемы с высокоскоростной передачей сигналов. В спецификации зарядки аккумулятора 1.1 указано, что зарядные устройства должны динамически ограничивать потребление тока шины во время высокоскоростной передачи сигналов; В [51] 1.2 указано, что зарядные устройства и порты должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать более высокую разницу напряжений на земле при высокоскоростной передаче сигналов.
Версия 1.2 спецификации была выпущена в 2010 году. В ней было внесено несколько изменений и увеличены ограничения, включая разрешение 1,5 А на зарядных нисходящих портах для ненастроенных устройств, что обеспечивает высокоскоростную связь при токе до 1,5 А. Кроме того, была удалена поддержка зарядки. обнаружение портов с помощью резистивных механизмов. [52]
До того, как были определены спецификации зарядки аккумулятора, у портативного устройства не было стандартизированного способа узнать, какой ток доступен. Например, зарядные устройства Apple для iPod и iPhone указывают доступный ток по напряжениям на линиях D- и D+. Когда D+ = D− = 2,0 В, устройство может потреблять ток до 900 мА. Когда D+ = 2,0 В и D− = 2,8 В, устройство может потреблять ток до 1 А. [53] Когда D+ = 2,8 В и D− = 2,0 В, устройство может потреблять ток до 2 А. [54]
Портативные устройства, имеющие порт USB On-The-Go, могут одновременно заряжать и получать доступ к периферийным устройствам USB, но наличие только одного порта (как из-за On-The-Go, так и из-за требований к пространству) препятствует этому. Адаптеры для зарядки аксессуаров (ACA) — это устройства, которые обеспечивают портативную зарядку для соединения On-The-Go между хостом и периферийным устройством.
ACA имеют три порта: порт OTG для портативного устройства, для которого требуется вилка Micro-A на невыпадающем кабеле; дополнительный порт, который должен иметь розетку Micro-AB или типа A; и порт зарядки, который должен иметь розетку Micro-B, вилку типа A или зарядное устройство на невыпадающем кабеле. Вывод ID порта OTG не подключен внутри штекера, как обычно, а к самому ACA, где сигналы вне плавающего и заземленного состояний OTG используются для обнаружения ACA и сигнализации состояния. Порт зарядки не передает данные, но использует сигналы D± для обнаружения порта зарядки. Дополнительный порт действует как любой другой порт. При соответствующем сигнале от ACA портативное устройство может заряжаться от шины, как если бы имелся порт зарядки; вместо этого любые сигналы OTG по питанию шины передаются на портативное устройство через сигнал ID. Питание по шине также прозрачно подается на порт аксессуаров из порта зарядки. [50]
В июле 2012 года группа USB Promoters Group объявила о завершении разработки спецификации USB Power Delivery ( USB-PD ) (USB PD rev. 1), расширения, которое определяет использование сертифицированных USB-кабелей с поддержкой PD со стандартными USB Type-A и Type-B. Разъемы для подачи повышенной мощности (максимум более 7,5 Вт, разрешенной предыдущей спецификацией зарядки аккумулятора через USB) к устройствам с более высокими требованиями к мощности. (Вилки USB-PD A и B имеют механическую маркировку, а вилки Micro имеют резистор или конденсатор, прикрепленный к идентификационному контакту, что указывает на возможности кабеля.) Устройства USB-PD могут запрашивать более высокие токи и напряжения питания от совместимых хостов - до 2 А. при 5 В (для потребляемой мощности до 10 Вт) и опционально до 3 А или 5 А при 12 В (36 Вт или 60 Вт) или 20 В (60 Вт или 100 Вт). [59] Во всех случаях поддерживаются конфигурации как «хост-устройство», так и «устройство-хост». [60]
Цель состоит в том, чтобы обеспечить равномерную зарядку ноутбуков, планшетов, дисков с питанием от USB и аналогичной бытовой электроники большей мощности в качестве естественного расширения существующих европейских и китайских стандартов зарядки мобильных телефонов. Это также может повлиять на способ передачи и использования электроэнергии, используемой для небольших устройств, как в жилых, так и в общественных зданиях. [61] [62] Этот стандарт предназначен для сосуществования с предыдущей спецификацией зарядки аккумулятора через USB. [63]
Первая спецификация Power Delivery (версия 1.0) определяла шесть фиксированных профилей мощности для источников питания. Устройства с поддержкой PD реализуют гибкую схему управления питанием, взаимодействуя с источником питания через двунаправленный канал данных и запрашивая определенный уровень электрической мощности, варьируемый до 5 А и 20 В в зависимости от поддерживаемого профиля. Протокол конфигурации мощности может использовать кодирование BMC по проводу CC (канал конфигурации), если таковой имеется, или канал передачи с кодировкой BFSK 24 МГц на линии V BUS . [62]
Спецификация USB Power Delivery версии 2.0 (USB PD Rev. 2.0) была выпущена как часть пакета USB 3.1. [56] [64] [65] Он охватывает кабель и разъем USB-C отдельным каналом конфигурации, который теперь содержит низкочастотный канал данных с кодировкой BMC , связанный по постоянному току , что снижает вероятность радиочастотных помех . [66] Протоколы подачи питания были обновлены для поддержки функций USB-C, таких как функция идентификации кабеля, согласование альтернативного режима, увеличенные токи V BUS и аксессуары с питанием от V CONN .
Начиная с версии 2.0 спецификации USB Power Delivery, версии 1.2, шесть фиксированных профилей мощности для источников питания устарели. [67] Правила питания USB PD заменяют профили мощности, определяя четыре нормативных уровня напряжения: 5 В, 9 В, 15 В и 20 В. Вместо шести фиксированных профилей источники питания могут поддерживать любую максимальную выходную мощность источника от 0,5 Вт до 100 В. В.
Спецификация USB Power Delivery версии 3.0 определяет дополнительный протокол программируемого источника питания (PPS), который обеспечивает детальный контроль над выходом V BUS , обеспечивая диапазон напряжения от 3,3 до 21 В с шагом 20 мВ и ток, указанный с шагом 50 мА, для облегчить зарядку при постоянном напряжении и постоянном токе. В версии 3.0 также добавлены расширенные сообщения конфигурации и быстрая смена ролей, а также объявлен устаревшим протокол BFSK. [57] : Таблица 6.26 [68] [69]
8 января 2018 года USB-IF анонсировала логотип «Сертифицированное USB-быстрое зарядное устройство» для зарядных устройств, использующих протокол «Программируемый источник питания» (PPS) из спецификации USB Power Delivery 3.0. [70]
В мае 2021 года группа промоутеров USB PD выпустила версию 3.1 спецификации. [58] В версии 3.1 добавлен режим расширенного диапазона мощности (EPR), который позволяет использовать более высокие напряжения 28, 36 и 48 В, обеспечивая мощность до 240 Вт (48 В при 5 А), а также «регулируемый источник напряжения» (AVS). ) протокол, позволяющий задавать напряжение в диапазоне от 15 до 48 В с шагом 100 мВ. [71] [72] Для более высоких напряжений требуются кабели EPR с электронной маркировкой, поддерживающие работу с током 5 А и включающие механические усовершенствования, требуемые стандартом USB Type-C, ред. 2,1; существующие режимы мощности задним числом переименованы в стандартный диапазон мощности (SPR). В октябре 2021 года Apple представила зарядное устройство GaN USB PD мощностью 140 Вт (28 В, 5 А) с новыми Macbook, [73] а в июне 2023 года Framework представила зарядное устройство GaN USB PD мощностью 180 Вт (36 В, 5 А) с Framework 16. [ 74]
В октябре 2023 года группа промоутеров USB PD выпустила версию 3.2 спецификации. Протокол AVS теперь работает со старым стандартным диапазоном мощности (SPR), минимум до 9 В. [75] : §10.2.2.
До внедрения Power Delivery производители мобильных телефонов использовали специальные протоколы, чтобы превысить ограничение в 7,5 Вт, указанное в спецификации зарядки аккумулятора USB (BCS). Например, Quick Charge 2.0 от Qualcomm способна выдавать 18 Вт при более высоком напряжении, а VOOC — 20 Вт при обычном напряжении 5 В. [76] Некоторые из этих технологий, такие как Quick Charge 4, со временем снова стали совместимыми с USB PD. . [77]
По состоянию на первый квартал 2024 года основные контроллеры зарядки USB PD поддерживают мощность до 100 Вт через один порт, некоторые — до 140 Вт [78] [79] , а специальные — до 180 Вт. [80]
USB-порты с режимом сна и зарядки можно использовать для зарядки электронных устройств, даже если компьютер, на котором расположены эти порты, выключен. Обычно, когда компьютер выключен, порты USB отключаются. Эта функция также реализована на некоторых док-станциях для ноутбуков, позволяя заряжать устройство даже при отсутствии ноутбука. [81] На ноутбуках зарядка устройств через порт USB, когда они не питаются от сети переменного тока, разряжает батарею ноутбука; У большинства ноутбуков есть возможность прекратить зарядку, если уровень заряда аккумулятора становится слишком низким. [82]
На ноутбуках Dell, HP и Toshiba порты USB для режима сна и зарядки отмечены стандартным символом USB с добавленной молнией или значком батареи с правой стороны. [83] Dell называет эту функцию PowerShare , [84] и ее необходимо включить в BIOS. Toshiba называет это USB Sleep-and-Charge . [85] На ноутбуках Acer Inc. и Packard Bell порты USB для режима сна и зарядки отмечены нестандартным символом (буквы USB над изображением аккумулятора); эта функция называется Power-off USB . [86] Lenovo называет эту функцию Always On USB . [87]
С 14 июня 2007 года [обновлять]все новые мобильные телефоны, подающие заявку на получение лицензии в Китае, должны использовать порт USB в качестве порта питания для зарядки аккумулятора. [88] [89] Это был первый стандарт, в котором использовалось соглашение о замыкании D+ и D− в зарядном устройстве. [90]
В сентябре 2007 года группа Open Mobile Terminal Platform (форум операторов и производителей мобильных сетей, таких как Nokia , Samsung , Motorola , Sony Ericsson и LG ) объявила, что ее члены договорились о Micro-USB в качестве будущего общего разъема для мобильных устройств. устройства. [91] [92]
Ассоциация GSM (GSMA) последовала этому примеру 17 февраля 2009 г., [93] [94] [95] [96] , а 22 апреля 2009 г. это было дополнительно одобрено CTIA – Ассоциацией беспроводной связи [ 97] с Международный союз электросвязи (ITU) объявил 22 октября 2009 г., что он также принял решение Universal Charging Solution в качестве «энергоэффективного нового универсального решения для мобильных телефонов с одним зарядным устройством», и добавил: «На основе микро- USB-интерфейсом, зарядные устройства UCS также будут иметь рейтинг эффективности 4 звезды или выше — это в три раза более энергоэффективно, чем зарядное устройство без рейтинга». [98]
В июне 2009 года Европейская комиссия подписала добровольный Меморандум о взаимопонимании (MoU) по принятию микро-USB в качестве общего стандарта для зарядки смартфонов, продаваемых в Европейском Союзе . Спецификация получила название « Общий внешний источник питания» . Меморандум о взаимопонимании действовал до 2014 года. Общая спецификация EPS (EN 62684:2010) ссылается на спецификацию зарядки аккумулятора через USB и аналогична GSMA/OMTP и китайским решениям для зарядки. [99] [100] В январе 2011 года Международная электротехническая комиссия (МЭК) выпустила свою версию общего стандарта EPS (ЕС) под названием IEC 62684:2011. [101]
В 2022 году Директива о радиооборудовании 2022/2380 сделала USB-C обязательным стандартом зарядки мобильных телефонов с 2024 года, а с 2026 года — для ноутбуков. [102]
Различные стандарты (не USB) поддерживают зарядку устройств быстрее, чем стандарт зарядки аккумулятора через USB. Если устройство не распознает стандарт более быстрой зарядки, обычно устройство и зарядное устройство возвращаются к стандарту зарядки аккумулятора USB 5 В при токе 1,5 А (7,5 Вт). Когда устройство обнаруживает, что оно подключено к зарядному устройству с совместимым стандартом быстрой зарядки, устройство потребляет больший ток или устройство сообщает зарядному устройству увеличить напряжение или и то, и другое для увеличения мощности (детали различаются в зависимости от стандарта). [103]
К таким стандартам относятся: [103] [104]
Некоторым USB-устройствам требуется больше энергии, чем разрешено спецификациями для одного порта. Это характерно для внешних жестких и оптических приводов и, как правило, для устройств с двигателями или лампами . Такие устройства могут использовать внешний источник питания , что разрешено стандартом, или использовать USB-кабель с двумя входами, один вход которого предназначен для питания и передачи данных, а другой исключительно для питания, что делает устройство нестандартным. USB-устройство. На практике некоторые USB-порты и внешние концентраторы могут подавать на USB-устройства больше энергии, чем требуется спецификацией, но устройство, совместимое со стандартами, может от этого не зависеть.
Помимо ограничения общей средней мощности, потребляемой устройством, спецификация USB ограничивает пусковой ток (т. е. ток, используемый для зарядки развязывающих и фильтрующих конденсаторов ) при первом подключении устройства. В противном случае подключение устройства может вызвать проблемы с внутренним питанием хоста. USB-устройства также должны автоматически переходить в режим ожидания со сверхнизким энергопотреблением, когда USB-хост приостанавливается. Тем не менее, многие хост-интерфейсы USB не отключают питание USB-устройств, когда они приостановлены. [105]
Некоторые нестандартные USB-устройства используют источник питания 5 В, не участвуя в соответствующей сети USB, которая согласовывает энергопотребление с хост-интерфейсом. Примеры включают подсветку клавиатуры с питанием от USB, вентиляторы, охладители и обогреватели для кружек, зарядные устройства, миниатюрные пылесосы и даже миниатюрные лавовые лампы . В большинстве случаев эти устройства не содержат цифровых схем и, следовательно, не являются USB-устройствами, соответствующими стандартам. Это может вызвать проблемы с некоторыми компьютерами, например, потребление слишком большого тока и повреждение схем. До появления спецификации зарядки аккумулятора USB спецификация USB требовала, чтобы устройства подключались в режиме низкого энергопотребления (максимум 100 мА) и сообщали свои текущие требования хосту, что затем позволяло устройству переключиться в режим высокой мощности.
Некоторые устройства, подключенные к зарядным портам, потребляют даже больше энергии (10 Вт), чем позволяет спецификация зарядки аккумулятора. iPad является одним из таких устройств; [106] он согласовывает ток с напряжением на выводах данных. [53] Для устройств Barnes & Noble Nook Color также требуется специальное зарядное устройство с током 1,9 А. [107]
PoweredUSB — это запатентованное расширение, добавляющее четыре контакта, обеспечивающие ток до 6 А при напряжении 5, 12 или 24 В. Оно обычно используется в торговых точках для питания периферийных устройств, таких как считыватели штрих-кодов , терминалы для кредитных карт и принтеры.
Также учитывался раздел 1.3: Дополнительные требования к более прочному разъему, который выдерживает более 10 000 циклов и при этом соответствует спецификации USB 2.0 по механическим и электрическим характеристикам. Mini-USB не может быть модифицирован и остается обратно совместимым с существующим разъемом, как определено в спецификации USB OTG.