Стандарт USB как универсальная шина питания мобильных устройств.

Унификацию стандартов питания для мобильных устройств приветствуют, несомненно, все их пользователи без исключения. Зарядные устройства, кабели да и сами гаджеты не вечны и подбирать замену неунифицированных устройств проблематично. Немногие бренды представлены у нас с широким выбором фирменных аксессуаров. Иметь для всех своих устройств один компактный блок-зарядник или без долгих поисков купить универсальный кабель взамен утраченного в любой точке на глобусе - светлые мечты любого пользователя.

Конечно, по сравнению с тем, что было в этой области пару десятилетий назад, прогресс отрицать нельзя. Важную роль в решение проблемы внесли законы, принятые в ряде стран. Так в 2011 году Европарламент одобрил законопроект по унификации разъёмов питания для мобильных устройств. Закон был принят и реализован к 2017 году. В качестве универсального коннектора был предложен разъем, разработанный международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF). Несмотря на большое количество типов и подтипов этого разъёма конечный пользователь обнаружит на современных устройствах, скорее всего, один из трех: тип А, микро – USB и тип С.

Физическая совместимость между ними без труда обеспечивается не дорогими и доступными переходниками или заранее сконфигурированными кабелями. Но, к сожалению, универсальность форм-фактора разъемов не означает их безусловную совместимость.

Если посмотреть на спецификации разъема USB исключительно с точки зрения питания, то тут, казалось бы, никаких шагов вправо-влево не предусмотрено. Значит ли это, что портативное устройство «А» будет с удовольствием «кормиться» от адаптера (зарядного устройства, компьютера) «В». Вроде спецификации должны совпадать, подходящую мощность можно подобрать... возможно, в идеальном мире так бы оно и было. Но тогда и мы бы не стали утруждать себя написанием этой статьи, а вы ее чтением.
Энергетические возможности базового USB были вполне адекватны для кнопочных телефонов вроде Nokia или Siemens. Но с тех пор случилось пришествие смартфонов и их бурное развитие, когда каждый производитель стремился сначала поразить всех огромным экраном и небывало мощным процессором, а потом как-то заставить все это великолепие проработать хотя бы полдня на одном заряде встроенного аккумулятора. Первым потерял актуальность компьютерный стандарт - USB 2.0 (ток потребления подключенных устройств до 500mA). USB 3.0 со своими 900 мА тоже не сильно помог. Чтобы зарядить мобильное устройство за разумное время спецификации расширили током до 1,5А, соответствующие порты на компьютерах и хабах стали помечать значком молнии, а также красным цветом. Затем энергопотребление устройств и соответственно, емкость аккумуляторов взлетела в разы, скорость их зарядки стала фактором конкуренции и внезапно даже эти 1,5 ампера перестали быть актуальными. А для более масштабной техники, вроде планшетов и ноутбуков, даже самых маленьких, они таковыми никогда и не являлись.
Спасти ситуацию была призвана спецификация USB Battery Charging. Актуальная и на данный момент версия USB BC 1.2 (2010 год) позволяла подключение к разъёму USB устройств, с повышенным токопотреблением (более 900 мА), а также, использование не подключенных шин данных (D+ и D-) для идентификации гаджетом зарядного устройства (адаптера питания). На деле проблема не разрешилась, и даже, наоборот, у пользователя возникли ещё большие сложности. Производители, ухватившись за новую возможность, стали внедрять свои правила идентификации блоков питания, придумывая собственные конфигурации распайки шин D+ и D-. На рисунке приведены лишь несколько вариантов из десятков других запатентованных фирменных решений.

Для понимания к чему это привело, рассмотрим следующий пример. Мы имеем смартфон от компании «S» с батареей на 2,5 А/ч и родным зарядным устройством 5В/1.5А. При подключении устройства к адаптеру питания, благодаря фирменной распайке шин D+ и D-, наш смартфон поймёт, что может заряжаться током 1,5А. Процесс займет около 2 часов. При подключении нашего девайса к стороннему зарядному устройству от фирмы «А» могут произойти следующие события: устройство либо не будет заряжаться вообще, либо процесс будет длиться намного дольше, чем в первом случае, и, в худшем варианте развития событий, зарядник «А» перегреется и отключится (выйдет из строя). Причина в том, что наш смартфон «S» не поймет кодировку адаптера «А», либо поймет её неправильно.
Всё вышесказанное не потеряло актуальности на сегодняшний день не только к устаревшим устройствам, но и к новым бюджетным моделям. Если ваш смартфон не поддерживает современные протоколы зарядки, о которых речь пойдет далее, то вам следует, либо приобретать оригинальные зарядные устройства, либо внимательно читать на упаковке адаптера информацию о том, с устройствами каких производителей он будет работать.

На дальнейшее развитие стандартов питания повлияло желание обеспечить энергией для работы и зарядку АКБ высокомощных мобильных устройств, например, ноутбуков (до 100 Вт). Изначально стандарт USB вообще не был рассчитан на зарядку чего бы то ни было. Максимум, который его разработчики предвидели - работа неэнергоемкой периферии вроде клавиатуры или мышки. Поэтому, даже заложенная позже в шину питания мощность в 4,5 Вт (5В на 900мА) казалась более чем достаточной. Решение новой задачи требовало резкого увеличения тока (до 20 ампер), что накладывало дополнительные условия на кабельные сборки. Решение задачи «в лоб» было невозможно. Конечно, можно увеличить сечение проводников в штатных кабелях, но мало того, что практическое применения таких изделий сведет на нет все плюсы использования миниатюрных разъёмов, так и сами коннекторы не справятся с такой нагрузкой. Спецификация USB-IF ограничивает максимальный ток через разъем 5 амперами. Возвращение же к нестандартным разъёмам или разделение портов для питания и передачи данных было уже невозможно как минимум из маркетинговых соображений.
Решение вроде бы лежит на поверхности: для снижения тока в кабельной сборке необходимо поднять в процессе зарядки напряжение. Но мы хорошо знаем, чем заканчивается для прибора его подключение в сеть с напряжением выше расчетного. Именно чтобы избежать таких проблем, форм-факторы европейских и американских сетевых розеток, например, никто не стремится унифицировать. А тут уже есть универсальный разъем, напряжение в котором требуется повысить с базовых 5 вольт до 9, 12 или даже 20. Естественно, ЗУ при этом на вид ничем не будет отличаться от привычных 5-ти вольтовых.
Выход из ситуации разработчики, судя по всему, увидели в самом названии популярного гаджета - смартфон. То есть умный телефон. Вот раз он такой умный, решили они, пусть сам и разбирается с «кормлением» себя любимого. Тем более что алгоритм действий кажется простым: при подключении напряжение на выходе зарядного устройства стандартное – 5 вольт, «договариваемся» по шине данных с адаптером о допустимых параметрах зарядки и наполняем аккумулятор оптимальным образом. В теории все выглядит прекрасно и высокотехнологично, но суровая реальность вносит свои коррективы. Во-первых, путь к единому «языку общения» тернист и до сих пор не пройден на 100%, во-вторых, усложнение и удорожание простых доселе аксессуаров устраивает далеко не всех. Тем не менее, поезд тронулся. Ведущие производители электроники принялись решать задачу быстро и эффективно. На свет появилось множество протоколов общения устройства с адаптером, объединенных общим смысловым термином «интеллектуальная быстрая зарядка». USB PD, QC, MTK PE, OPPO VOOC, Huawei FCP, AFC – вот далеко не полный их список. Как обычно в таких ситуациях, возникла путаница. Форматы были мало или полностью не совместимы, но со временем ситуация стала улучшаться. Свет в конце тоннеля этой невеселой истории появился с развитием двух технологий, имеющих перспективу навести, наконец, порядок.

Qualcomm Quick Charge (QC)

Первая - детище главного производителя платформ портативной техники, выпускаемой под многими популярными брендами. Существует четыре её версии. QC 1.0 была самой «безобидной» (при стандартных 5В ток был поднят до 2А), но, лишние пол-ампера, особых выгод не сулили. В версии 2.0 появилась возможность ступенчато повышать напряжение на зарядном устройстве до 20 В, что дало заметную прибавку в скорости зарядки и стало весьма популярной функцией смартфонов на Android.

Следующим шагом стала версия 3.0 с возможностью плавного изменения напряжения (3,6 – 20 вольт). Это обстоятельство позволило гибко и достаточно безопасно компенсировать падение напряжения в USB кабелях любой конфигурации, кроме Type C. Возможность повреждения идентификационного чипа, встраиваемого в эти кабели, при повышении напряжения, не позволили получить версиям QC 2.0 и 3.0 сертификат соответствия от USB-IF. Эту проблему решили в версии 4.0, добавив в обязательную программу совместимость с чипами этих самых USB-C проводов. Если смартфон и зарядка соответствуют этому стандарту, то свойства кабеля будут приняты во внимание, ничего непоправимого не произойдет, а зарядка будет осуществляться по принципу «самого слабого звена», безопасному для всех участников процесса. Данная версия (4.0) и последующая 4+ совместима и с USB PD протоколом, ставшим «де-факто» стандартом для ноутбуков, большинства планшетов и многих смартфонов.

USB Power Delivery (PD)
 

Говоря о USB Power Delivery, мы подразумеваем разъемы Type C. Другие типы USB разъёмов поддерживаются, но напряжение свыше 5 вольт и ток более 2 ампер официально не предусматриваются. Новый же разъем, совместимый с USB 3.1, может содержать в себе самый широкий выбор как данных (он может заменять HDMI для видео, например), так и напряжений, от 5 вольт до 20. Сила тока до 5 ампер, благодаря продублированным шинам питания. Все устройства в рамках этой технологии оснащены идентификационными чипами и с точки зрения пользователя интегрируются легко, непринужденно и безопасно. Но это в теории и пока в полном составе работает набор «из коробки». В других случаях возможны варианты. Купленный кабель может оказаться несертифицированным с точки зрения устройства. То же может произойти и с блоком питания. Порой даже обещания на коробке адаптера совсем не означают, что в чипе прописаны все необходимые режимы. Производители при желании могут специально задавать нестандартные параметры, дабы пользователи предпочитали фирменные аксессуары. И так далее. Стандартизация как бы есть, но с таким количеством нюансов, что рекомендации беречь штатный комплект и внимательно выбирать «неродные» зарядные устройства актуальности не потеряли.
Рассказывая про новые технологии в области зарядки и питания, нельзя не остановиться на характеристиках кабеля. Одним из важных требований является максимально допустимое значение падения напряжения на кабельной сборке. Параметр был определен еще в ранних рекомендациях USB-IF и поддержан стандартами IEC (международная электротехническая комиссия). Один из них, позднее, был принят в качестве ГОСТ (ГОСТ Р МЭК 62680-4-2015). Определение гласит, что «Значение падения напряжения на силовой паре от штыря к штырю не более 125 мВ». На практике это означает, что максимальный ток, протекающий через кабель, не должен приводить к падению напряжения на входе устройства ниже отметки 4,75 вольта. Выбрать качественный кабель по внешнему виду или по описанию на упаковке весьма не просто. Большинство продукции на полках магазинов на сегодняшний день отвечают, безусловно, минимальным требованиям и работают с током 500 мА. Если имеется маркировка USB3.0, то, с большой долей вероятности, можно полагать, что этот кабель справится с 1 ампером. По данным наших тестов, в последнем случае, можно ожидать и более высоких характеристик (до 1,4 ампера). Кабели, которые отвечают требованию ГОСТ и поддерживают токи выше указанного значения, найти в продаже уже будет затруднительно. Исключением здесь являются именитые производители, но и цена этого продукта соответствующая. В связи с тем, что новые технологии предусматривают расширения границ применяемых токов и напряжений появились и новые требования к кабелям. Рекомендации разработчиков предписывают установку в кабели с одним штекером Type-C идентификационных резисторов. Устройство, к которому будет подключен этот коннектор, сможет самостоятельно определить токовую характеристику «шнурка» по этому маркеру (56 кОм – до 900 мА, 22 кОм – до 1,5 А, 10 кОм – до 3 А). Кабельные сборки с USB Type-C на обоих концах должны иметь встроенные чипы (микросхемы) призванные выполнять туже самую роль, но с передачей на устройство большего объёма характеристик. «Умные» кабели снимут проблему выбора и, главное, обеспечат безопасную эксплуатацию. Последнее замечание будет работать только при исполнении производителями требований, предъявляемых новыми стандартами. На данный момент на рынке можно столкнуться с продукцией, где не соблюдаются указанные предписания или делается это частично. Так, например, кабель, который не отвечает даже базовым требованиям по токам у «ноунейм» изготовителей может иметь резистивный маркер 10 кОм. Устройство его опознает и начнет «прокачивать» 3 ампера, что неминуемо вызовет весьма серьёзные последствия, меньшее из которых это перегрев кабеля. Тоже и с недостоверной информацией, прописанной в чипах тех же безответственных производителей. В сети интернет можно найти большое количество публикаций от энтузиастов, которые публикуют тесты кабельной продукции от разных фирм и проверяют их на соответствие электронной маркировке. Анализ этой информации позволяет дать рекомендацию покупателям останавливать свой выбор на изделиях от проверенных, хорошо зарекомендовавших себя компаниях, внушающих доверие.
 

В заключении надо отметить, что хотя задачи унификации и нельзя считать безоговорочно решенными, ситуация с последними моделями портативных устройств от крупных производителей выглядит позитивно. Стандарты PD ver.3 и QC 4.0 взаимно совместимы и приняты всеми основными игроками рынка. Соответственно, есть хорошая вероятность, что новый смартфон, планшет и ноутбук можно будет запитать от одного адаптера, без особого труда найти для них неоригинальные провода и зарядники, и при этом всё будет работать вместе хорошо и безопасно. Конечно, ценой будет заметное удорожание всех компонентов, «умные» кабели и адаптеры не могут стоить 150-200 рублей. Настоящий же этап можно считать переходным. Для изделий Apple, Samsung и ряда других фирм существуют линейки аксессуаров, цена которых может показаться завышенной, но тут в стоимость входит гарантия от многих потенциальных неприятностей. В остальных случаях, пока нет четкой маркировки гаджетов и зарядок, чтобы с первого взгляда можно было определить их совместимость, реально полагаться только на «опыт, сын ошибок трудных». Лучше, конечно, чужой, что сэкономит и время и деньги. По этой причине, в ближайшее время, мы планируем провести и опубликовать развёрнутые тесты продуктов нашей компании, затронутых в этой статье (Зарядные устройства, кабели). Мы надеемся, что эти публикации позволят сделать правильный и обоснованный выбор в пользу качественных и недорогих продуктов компании Perfeo.