ทำความเข้าใจกับข้อกำหนดการไหลเข้าของ USB ในปัจจุบัน

จากคำถามก่อนหน้านี้ฉันพยายามทำความเข้าใจกับข้อกำหนด USB 2.0 สำหรับการไหลเข้าปัจจุบัน ฉันเข้าใจแนวคิดพื้นฐาน แต่รายละเอียดบางอย่างยังไม่ชัดเจนสำหรับฉัน สเปคระบุบางส่วนว่า:

โหลดสูงสุด (CRPB) ที่สามารถวางที่ปลายด้านล่างของสายเคเบิลคือ 10 μF
ขนานกับ 44 Ω ความจุ 10 μFหมายถึงตัวเก็บประจุบายพาสใด ๆ ที่เชื่อมต่อโดยตรงผ่านสาย VBUS ในฟังก์ชั่นรวมถึงเอฟเฟกต์แบบ capacitive ใด ๆ ที่มองเห็นได้ผ่านตัวควบคุมในอุปกรณ์ ความต้านทาน 44 represents หมายถึงโหลดหนึ่งหน่วยของอุปกรณ์ที่ใช้ในปัจจุบันระหว่างการเชื่อมต่อ

หากต้องการความจุบายพาสเพิ่มเติมในอุปกรณ์อุปกรณ์นั้นจะต้องรวมการ จำกัด กระแสไฟกระชากของ VBUS บางรูปแบบซึ่งจะตรงกับลักษณะของการโหลดข้างต้น

USB-IF ยังมีคำอธิบายของการทดสอบการไหลเข้าปัจจุบัน:

กระแสการไหลเข้าจะถูกวัดอย่างน้อย 100 มิลลิวินาทีหลังจากที่แนบ สิ่งที่แนบมาจะถูกกำหนดในขณะนี้ VBus และหมุดภาคพื้นดินของคู่เสียบกับเต้ารับ
กระแสเกิน 100 mA ในช่วงเวลา 100 ms จะถือเป็นส่วนหนึ่งของเหตุการณ์ปัจจุบันการไหลเข้า กระแสการไหลเข้าแบ่งออกเป็นภูมิภาค ภูมิภาคคือช่วงเวลาที่กระแสเกิน 100 mA จนกระทั่งเวลาที่กระแสต่ำกว่า 100 mA เป็นเวลาอย่างน้อย 100 µs อาจมีหลายภูมิภาคที่ไหลเข้ามาในช่วงระยะเวลา 100 ms Pass / Fail จะถูกกำหนดโดยภูมิภาคที่มีค่าใช้จ่ายสูงสุด

ชัดเจน แต่จะให้เวลาการวัดขั้นต่ำเท่านั้นและไม่ได้ระบุว่าอัลกอริทึมใดถูกนำไปใช้กับภูมิภาคที่ไหลเข้าเพื่อให้เกิดการตัดสินใจผ่าน / ไม่ผ่าน ฉันคิดว่าความคิดคือในระหว่างภูมิภาคเมื่อกระแสเกินกว่า 100 mA กระแสรวมถูกรวมเพื่อรับค่าโอนทั้งหมดระหว่างหน้าต่างนี้และค่าใช้จ่ายรวมต้องไม่มากกว่าที่คุณจะได้รับด้วย 10 uF // 44 Ωโหลด ตามแหล่งข้อมูลหนึ่งนี่จะเป็น 5V * 10 µF = 50 µC นั่นคือสิ่งที่ความเข้าใจของฉันสั่นคลอนเล็กน้อย

เพื่อช่วยให้ฉันเข้าใจฉันได้วิเคราะห์วงจรต่อไปนี้:

[ความต้านทาน R1 ไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของสเปคใด ๆ แต่ฉันต้องการให้ทำคณิตศาสตร์และฉันสามารถปล่อยให้มันเป็นศูนย์ได้ตามต้องการ] กระแสเริ่มต้นที่และสลายตัวทวีคูณเป็นมีเวลาคงที่C_1$V_1/R_1$$V_1/(R_1 + R_2)$$(1/R_1 + 1/R_2)^{-1} C_1$

ค่าใช้จ่ายทั้งหมดที่โอนในเวลาจะเป็น$t$

ในขีด จำกัด ที่ค่าเป็นศูนย์สิ่งนี้จะทำให้ง่ายขึ้น$R_1$

ส่วนหนึ่งที่ฉันไม่เข้าใจคือด้วย 5 โวลต์จากบัส USB และโหลด 44 prescribed ที่กำหนดจะมี 5V / 44 Ω = กระแส 114 mA ซึ่งมากกว่าขีด จำกัด 100 mA ที่อธิบายไว้ใน USB ที่ยกมา การทดสอบ -IF และมากกว่าหนึ่งหน่วยสูงสุด (เช่น 100 mA) ที่อนุญาตสำหรับการใช้งานฟังก์ชั่น USB พลังงานต่ำ (สเปค USB 2.0 ส่วนที่ 7.2.1) ใน R1 = 0 กรณี จำกัด กระแสนี้จะดึงประจุได้มากเท่ากับตัวเก็บประจุ (เช่น 50 µC) ใน R2 * C1 = 440 µs

ดังนั้นคำถามถ้าคุณยังอ่านอยู่มันหมายถึงอะไรอย่างแม่นยำถึง "ลักษณะของการโหลดด้านบน" (เช่น 44 Ωขนานกับ 10 µF) และการอธิบายการไหลเข้าของ USB-IF อย่างไร การทดสอบปัจจุบันตัดสินใจได้ว่ากระแสไฟฟ้ามากเกินไปหรือไม่

ขอบคุณ

คำตอบคือ: ไม่มีใครรู้

ดีคนรู้ แต่การไหลเข้าผ่าน / ไม่ผ่านการทดสอบถือว่าเป็นข้อมูลที่เป็นกรรมสิทธิ์และวิธีการที่กำหนดจะทำไม่ได้ตีพิมพ์โดย USB-IF สำหรับเหตุผลที่พวกเขาจะรู้ว่า ฉันรู้ว่านั่นไม่ใช่คำตอบที่น่าพอใจมาก แต่นั่นเป็นความจริงที่เรียบง่าย

ในการอ้างถึงหน้าการทดสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนดทางไฟฟ้า (ข้อความเป็นสีแดงเพื่อให้คุณรู้ว่าร้ายแรงกว่าระดับความรุนแรง USB-IF ระดับปกติ):

หมายเหตุ: โซลูชันการทดสอบต่อไปนี้ที่ได้รับการรับรองบางส่วนใช้ซอฟต์แวร์ลิขสิทธิ์เพื่อประเมินคุณภาพสัญญาณและเหตุการณ์ปัจจุบันที่ไหลเข้า เครื่องมือวิเคราะห์อย่างเป็นทางการสำหรับการรับรองคุณภาพสัญญาณและกระแสการไหลเข้าเป็นUSBET20 ที่เผยแพร่โดย USB-IF โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ใช้คุณภาพของสัญญาณที่จับได้และข้อมูลการทดสอบปัจจุบันไหลผ่าน USBET สำหรับการประเมินอย่างเป็นทางการของการวัด

ดังนั้นพวกเขาจะชัดเจนบอกว่าคุณไม่สามารถทำให้ความมุ่งมั่นโดยใช้การจับภาพรูปแบบของคลื่นเพียงอย่างเดียวหรือคุณลักษณะที่ 'USB ไหลเข้าทดสอบ' หลาย Oscilloscope ของ (ผมไม่เคยเห็นนี้ดังนั้นฉันจะต้องไม่ใช้ Oscilloscope ของแพงพอ) ไม่ถูกต้องและวิธีเดียวที่จะ ปฏิบัติตามข้อกำหนดการไหลเข้าปัจจุบันหาก USBSET20 แจ้งว่าอุปกรณ์ของคุณเป็นไปตามข้อกำหนด ใช้ข้อมูลในรูปแบบของ. tsv / .csv รูปคลื่นและจับภาพความยุติธรรมของการปฏิบัติตามมาตรฐาน USB (ในรูปแบบ html)

จากหน้าดาวน์โหลดเครื่องมือ USB:

USBET20 (8MB, สิงหาคม 2559) เป็นเครื่องมือวิเคราะห์สัญญาณไฟฟ้าแบบสแตนด์อโลนสำหรับการทดสอบการปฏิบัติตามมาตรฐาน USB USBET20 เป็นเครื่องมือวิเคราะห์ไฟฟ้าที่เป็นไปตามข้อกำหนดอย่างเป็นทางการซึ่งดำเนินการประเมินผ่าน / ไม่ผ่านคุณภาพสัญญาณและการไหลเข้าของข้อมูลปัจจุบันที่จับจากออสซิลโลสโคป

เพื่ออธิบายเพิ่มเติมต่อไปพวกเขาเพียงบอกคุณเวลาการวัดขั้นต่ำเพราะนั่นคือทั้งหมดที่คุณต้องรู้ คุณไม่จำเป็นต้องรู้ว่าการตัดสินใจส่งผ่าน / ล้มเหลวจริงและแน่นอนพวกเขาไม่ได้บอก USB-IF ยินดีที่จะบอกคุณว่าคุณปฏิบัติตามกฎระเบียบหรือไม่ แต่พวกเขาไม่ได้บอกใครว่าพวกเขาเป็นผู้กำหนด (อย่างน้อยสำหรับการไหลเข้าปัจจุบัน)

โหลดดาวน์สตรีมสูงสุดนั้นเป็นข้อมูลจำเพาะที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อัปสตรีม (โฮสต์พอร์ตหรือฮับ) หมายถึงเมื่อออกแบบหนึ่งในนั้นและไม่ใช่อุปกรณ์ต่อพ่วงฮับหรือพอร์ตนั้นควรจะสามารถต้านทานโหลดดาวน์สตรีมสูงสุดของตัวต้านทาน44Ωและ 10µF ตัวเก็บประจุแบบขนาน และคุณก็ถูกต้องอย่างแท้จริง - ซึ่งสามารถวาดได้มากถึง 25mA เกินขีด จำกัด 100mA ภายใต้เงื่อนไขที่รุนแรงที่สุด ด้วยเหตุนี้อุปกรณ์อัปสตรีมจะต้องสามารถจัดการกับโหลด ("จัดการ" ความหมายดังกล่าวได้ซึ่งจะไม่ได้รับความเสียหายเกินกว่า 330mV ที่ตกหล่น)

อย่างไรก็ตามหากอุปกรณ์ต่อพ่วงของคุณเป็นโหลดดังกล่าวจะไม่ผ่านการปฏิบัติตามเพราะจะดึงมากกว่า 100mA ที่บางช่วง (เป็นหลักทั้งหมด) ของช่วงแรงดันไฟฟ้าที่เป็นไปได้ การโหลดนั้นหมายถึงทั้งหมดเป็นสถานการณ์การออกแบบที่แย่ที่สุดสำหรับอุปกรณ์ต้นน้ำและใช้เพื่อทดสอบพวกเขา ไม่เกี่ยวข้องกับการทดสอบการปฏิบัติตามข้อกำหนดการไหลเข้าปัจจุบันของอุปกรณ์ต่อพ่วง

สิ่งที่เกี่ยวข้องคือไม่เกี่ยวกับกระแส มันเกี่ยวกับค่าใช้จ่ายดังนั้นคุณจึงต้องเดินไปทางขวาด้วยสิ่งนี้ โดยเฉพาะมันเป็นเรื่องเกี่ยวกับการลดลงของแรงดันไฟฟ้า พอร์ตอัปสตรีมบนฮับจะต้องมีความจุ ESR ไม่ต่ำกว่า 120µF ในเอาต์พุต VBUS ซึ่งเป็นบัสที่ให้กำลังกับอุปกรณ์ต่อพ่วงดาวน์สตรีม

โฮสต์หรือฮับที่ใช้พลังงานซึ่งให้แรงดันเอาต์พุตกรณีที่เลวร้ายที่สุด (4.75V) ผ่านตัวเชื่อมต่อ crappiest, สายเคเบิล crappiest ไปยังฮับที่ไม่ต้องเสียบปลั๊กที่ใช้ตัวเชื่อมต่อ crappiest จากนั้นฮับนั้นจะมีแรงดันไฟฟ้าอินพุต VBUS crappiest / แรงดันดาวน์สตรีม (350mV) แรงดันไฟฟ้าจะเป็น 4.4V 4.4 โวลต์ที่เชื่อมต่อผ่านตัวเชื่อมต่อเส็งเคร็งกับอุปกรณ์ต่อพ่วงสามารถทำให้เกิดแรงดันขั้นต่ำที่แท้จริงสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำ: 4.35V จากหน้า 175 ของข้อมูลจำเพาะ USB 2.0:

ลองทำคณิตศาสตร์กัน ฮับอัปสตรีมที่ไม่มีกำลังไฟจะต้องมีความจุดาวน์สตรีม 120µF ที่ 4.4V * 120µF มีค่าใช้จ่าย 528µC อุปกรณ์ที่เชื่อมต่อมีตัวเก็บประจุ 10µF หากคุณแกล้งทำเป็นว่าไม่มีโหลดคงที่หรือกำลังไฟเพียงตัวเก็บประจุที่ชาร์จบนพอร์ตและตัวประจุ 10µF ที่อยู่ในอุปกรณ์ต่อพ่วงประจุจะถูกกระจายออกไปจนกว่าประจุจะเต็ม แต่จนกว่าแรงดันไฟฟ้าจะเท่ากัน ค่าใช้จ่ายได้รับการอนุรักษ์ดังนั้นจุดที่ตัวเก็บประจุทั้งสองจะมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากันโดยที่ค่าเริ่มต้น 528 chargeC นั้นมีค่าประมาณ 4.06V หรือโอน 40.6µC เพิ่มความต้านทานตัวเชื่อมต่อและตัวเก็บประจุแบบดาวน์สตรีมจะไม่สามารถดึงประจุได้มากในระหว่างการไหลเข้า

ดังนั้นปัจจัยเดียวที่สำคัญอย่างแท้จริงคือมันไม่เกิน 10µF ปัจจุบันไม่ใช่สิ่งที่มีความสำคัญ แต่อย่างใดความสามารถของพอร์ตดาวน์สตรีมของฮับสามารถหมดลงได้โดยไม่ลดลงมากกว่า 330mV ในระหว่างที่อยู่ชั่วคราวก่อนสิ่งต่าง ๆ เช่นการเหนี่ยวนำของสายเคเบิลให้เวลาสำหรับโฮสต์โฮสต์ที่แท้จริง และตัวเก็บประจุ 10µF เป็นค่าที่ใกล้เคียงที่สุดที่ไม่สามารถทำได้

โปรดทราบว่าไม่มีขีด จำกัด ของความจุ คุณสามารถมีความจุเซรามิกทั้งหมด 1F บนอุปกรณ์ดาวน์สตรีมได้ตราบใดที่คุณแบ่งมันเป็นส่วน 10µF และหนึ่งในนั้นจะเชื่อมต่อกับสิ่งที่แนบมา เมื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์แล้วคุณจะต้องอยู่ต่ำกว่าขั้นตอน 10 stepF ใด ๆแต่คุณอาจ "เพิ่มความจุ" ออนไลน์มากขึ้นทีละ 10µF จุดทั้งหมดคือการหลีกเลี่ยงชั่วคราว

และใช่นี่หมายถึงอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ใช้พลังงานต่ำไม่เพียง แต่ควรทำงานได้ถึง 4.35V เท่านั้น แต่ยังทนต่อแรงดันตกคร่อม 330mV ชั่วคราวเช่นเมื่อมีสิ่งใหม่เชื่อมต่อกับฮับ ในทางทฤษฎีแล้วถ้าคุณเสียบอุปกรณ์สองเครื่องในเวลาที่เหมาะสมเพื่อให้พร้อมกันคุณอาจขัดขวางการทำงานของอุปกรณ์อื่น ๆ บนฮับที่ไม่ได้เสียบปลั๊ก ฉันแน่ใจว่าหุ่นยนต์ที่มี HPET จะใช้ประโยชน์จากข้อบกพร่องที่สำคัญนี้ในสเปคบัส USB ของเราเพื่อลดความผิดพลาดของเรา

ตอนนี้อาจมีแง่มุมที่ละเอียดอ่อนอื่น ๆ เช่นอัตรา dI / dT หรืออย่างอื่น ใครจะรู้แน่ชัดว่าอะไรรวมอยู่ในการทดสอบผ่านที่ล้มเหลว เมื่อพิจารณาว่าพวกเขามีตัวติดตั้ง 7.5MB ทั้งหมดสำหรับโปรแกรมที่ทำการทดสอบนั้นมันอาจจะปลอดภัยที่จะคิดว่ามันไม่ใช่เรื่องง่าย แต่โปรดจำไว้ว่าคุณกำลังพยายามหลีกเลี่ยงการเก็บประจุตัวเก็บประจุต้นน้ำจนหมดด้วยตัวเก็บประจุแบบดาวน์สตรีมของคุณเองและนั่นคือทั้งหมดที่มีอยู่ ตราบใดที่คุณไม่ทำให้อุปกรณ์อื่น ๆ ล้มเหลวเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ไม่ต่อเนื่องอาจทำให้เกิดอุปกรณ์ต่อพ่วงได้คุณก็โอเค และที่จริงแล้วมันเป็นเพียงการรักษาความจุที่มองเห็นในการต่อพ่วงหรือสถานะพลังงานอื่นเปลี่ยนเป็น 10µF จริง ๆ แล้วมันจะดีกว่าที่จะพยายามมีน้อยกว่านั้น 10 isF เป็นจำนวนสูงสุด ฉันไม่ ' ไม่ทราบว่าความคิดเริ่มต้นที่ค่าสูงสุดที่แน่นอนควรเป็นค่าเริ่มต้นของความจุ แต่วิศวกรที่ดีรู้ดีกว่าไปให้คะแนนสูงสุด ดูถูกดูแคลนเสมอ ฉันชอบตัวเก็บประจุที่ดี 4.7µF หากคุณต้องการ decoupling มากขึ้นสิ่งที่คุณต้องทำคือไม่ได้เชื่อมต่อโดยตรงกับ VBUS และ จำกัด ให้เหลือเพียง 100mA และคุณเป็นทอง แต่คุณได้รับอนุญาตมากเกิน 100mA - ตราบใดที่มีการถ่ายโอนค่าใช้จ่ายเพียง 40.6µC ระหว่างภูมิภาค

ไม่ต้องกังวลกับกระแสที่ไหลเข้า การทดสอบการไหลเข้าไม่ได้เกี่ยวกับการไหลเข้าปัจจุบัน

การทดสอบการไหลเข้าที่ระบุไว้ใน USB-IF การปฏิบัติตามการปรับปรุงhttp://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45

กระแสการไหลเข้าจะถูกวัดอย่างน้อย 100 มิลลิวินาทีหลังจากที่แนบ สิ่งที่แนบมาจะถูกกำหนดในขณะนี้ VBus และหมุดภาคพื้นดินของคู่เสียบกับเต้ารับ กระแสเกิน 100 mA ในช่วงเวลา 100 ms จะถือเป็นส่วนหนึ่งของเหตุการณ์ปัจจุบันการไหลเข้า กระแสการไหลเข้าแบ่งออกเป็นภูมิภาค ภูมิภาคคือช่วงเวลาที่กระแสเกิน 100 mA จนกระทั่งเวลาที่กระแสต่ำกว่า 100 mA เป็นเวลาอย่างน้อย 100 µs อาจมีหลายภูมิภาคที่ไหลเข้ามาในช่วงระยะเวลา 100 ms Pass / Fail จะถูกกำหนดโดยภูมิภาคที่มีค่าใช้จ่ายสูงสุด

ผ่าน / ล้มเหลวคือ 50 uC หรือ 5V x 10uF (@metacolin นำมาพิจารณาบัญชี แต่ไม่มี USB)

คุณสามารถประมาณการไหลเข้าที่ดูขอบเขตการจับกระแสและคำนวณพื้นที่ (i * dt) สูงกว่า 100 mA สำหรับแต่ละภูมิภาคและตรวจสอบพื้นที่กรณีที่เลวร้ายที่สุดในช่วง 100 ms หลังจากแนบ

USBET ทำการคำนวณตามข้อมูล. csv

กระแสสูงสุดที่แท้จริงด้วยตัวเองไม่เกี่ยวข้อง

นี่เป็นข้อมูลจำเพาะสำหรับฮับ USB หรืออะแดปเตอร์โฮสต์ แบบจำลองกล่องดำแสดงถึงโหลดทั่วไปสำหรับการทดสอบคลื่นอย่างไรก็ตามข้อมูลจำเพาะต้องการเพียง 1uF min cap บนอุปกรณ์ต่อพ่วง 10uF ถือว่าเป็นโหลดค่ามาตรฐาน เนื่องจากตัวเก็บประจุมาในทุกชนิดที่มี ESR ต่ำสุดที่10mΩแรงกระชากจะถูก จำกัด โดย ESR ของฝาปิดและความต้านทานของสาย 1 หรือ 1.5 ม. ถ้าสายเคเบิลและตัวเชื่อมต่อถูกทอดทิ้งหรือ 0 Ωในทางทฤษฎีมันอาจเป็นคลื่น 500A = 5V / 0.01Ω ESR

ในทางปฏิบัติมันจะน้อยกว่ามาก แต่ประเด็นคือโฮสต์จะต้องสามารถป้องกันสภาวะแรงดันไฟฟ้าต่ำโดยไม่คำนึงถึง ESR ของฝาปิด

มันขึ้นอยู่กับนักออกแบบ

ดังนั้นคำถามของคุณ ...

การทดสอบการไหลเข้าของ USB-IF ที่อธิบายไว้จะอธิบายได้อย่างไรว่ากระแสไฟฟ้ามีค่ามากเกินไปอย่างไร

คำตอบ:โดยแรงดันไฟฟ้าของโฮสต์ยังคงอยู่ภายในข้อกำหนดสำหรับแรงดันไฟฟ้าเพื่อให้พอร์ตอื่น ๆ ไม่เห็นสภาพสเป็คที่ไม่ดีนักจาก plug-in ที่มีกระแสไหลเข้าที่แรงดันสูง นั่นคือเจตนาของการทดสอบนี้

นอกจากนี้หากการทดสอบไม่เห็นคลื่นใด ๆ > 100mA พร้อมการทดสอบกล่องดำมันอาจล้มเหลวในการตรวจสอบอุปกรณ์ฮอตแทรกที่มีโหลดขั้นต่ำ 1uF ดังนั้นจึงมีการคาดการณ์ขั้นต่ำและไม่มียอดสูงสุด แต่มีระยะเวลาสูงสุด