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Dec 04, 2023

USB について

Per coloro che comprendono la storia dell'USB-C, il cavo CC

USB-C の歴史をよく理解している方は、USB-C ケーブルの CC ワイヤーが通信と極性検出に使用されていることをご存知でしょう。 ただし、USB-C では通信に 2 つのプロトコル (アナログ プロトコルとデジタル プロトコル) が使用されているということはあまり知られていません。 今日は、USB-C で使用されるアナログ信号を見てみましょう。その一部として、有名な 5.1 kΩ 抵抗器とその仕組みについて詳しく学びましょう。 また、e マーカーと VCONN という謎の存在についても学びます。

USB-C 電源は、VBUS に 5 V を供給する前に、CC ラインで特定の値のプルダウンを感知することを想定しており、それより高い電圧はデジタルでネゴシエートする必要があります。 PSU は、ラップトップのポートであっても充電器であっても、CC ライン上にプルアップ (Rp として知られる) を保持しているため、プルダウン (Rd として知られる) を検出できます。次に、分圧器が CC に形成されているかどうかをチェックします。結果として得られる電圧は許容範囲内です。

ケーブルの CC ワイヤーを介してプルダウンにアクセスできないデバイスを接続した場合、デバイスは USB-C ポートから電力を受け取ることができず、USB-A - USB-C ケーブルでのみ動作します。 USB-C のデジタル部分と通信できるスマート デバイスでもプルダウンがあることが予想されますが、それらのプルダウンが使用される USB-C 通信 IC の内部にあるだけです。 電力を受け取りたいUSB-Cポートにはプルダウンが必要です。

この部分は今ではよく知られていますが、安価なデバイスでは抵抗不足による障害が頻繁に発生しており、口語的なアドバイスは「5.1 kΩ 抵抗を追加する」です。 そんなに単純なことだと思うと怖いかもしれませんが、きっと驚かれるでしょう。

USB-C ポートには、供給側と消費者側という 2 種類の電力の役割があります。 USB-C のアナログ側により、設計者は、特定のまたは高価な IC を使用せずに、ソースにプルアップ、シンクにプルダウンを使用して、USB-C を 5 V で使用するときに電力要件をネゴシエートする簡単な方法を追加できます。 プルアップとプルダウンの組み合わせは分圧器を形成し、電圧自体が充電器の電流能力を表します。

現在、アナログ信号モードでは、ソースは利用可能な電力バジェットに基づいてプルアップを調整でき、これは非常に便利です。 複数の USB-C ポートを備えたラップトップまたは充電器を想像してください。 各ポートに負荷がかかると、他のポートに与えられる電流が減少します。これは主に、デバイスの内部構築方法によって決まります。 たとえば、4 つの USB-C ポートを備えた Framework ラップトップを考えてみましょう。 各ポートは 5 V / 3 A で 15 W を供給できますが、4 つのシンク専用 USB-C デバイスに同時に電力を供給したい場合、3 番目と 4 番目のポートには 1.5 A しか供給できません。これは、非常に合理的な制限です。エンジニアリングの視点。

これは、1.5 A や最大 3 A のデバイスなどの高消費電力デバイスは、CC ラインの電圧を監視して、電力需要を調整することによって電力バジェットを超過する可能性があるかどうかを判断するか、新たに電源が投入された場合にシャットダウンされる可能性があるかを判断する必要があることを意味します。確立された電流制限を超えています。

これはユーザーにとって何を意味しますか? デバイスの電力が十分に低い場合は何もありません。 デバイスは CC ラインの電圧を監視し、それに応じて食欲を調整することが期待されます。 店頭で購入したデバイスの中にはそれができないものもありますが、それはまれです。 ハッカーとして？ USB-C ポートから電力を得るデバイスを構築し、5 V で完全な 3 A を取得することを目指す場合は、すべての USB-C ポートがそれを供給できるわけではないことに注意してください。 ただし、CC ラインの電圧を測定することで 3 A が利用可能かどうかを確認できます。 あるいはやめてください。私はあなたの母親ではありません。多くのハッカー デバイスは検出ゼロでも成功します。

CC ラインにはどのような電圧が予想されますか? これは、マイクロコントローラーに搭載されている基本的な ADC やコンパレーターで読み取ることができる種類の電圧です。

ご覧のとおり、すべて 3.3 V 未満であるため、フルスイングのマイクロコントローラー ADC を使用している場合は分圧器は必要ありません。 ああ、USB-C ソケットをお持ちの場合は、もちろん、両方の CC ピンを個別に監視することを忘れないでください。

本当にCC電圧を監視する必要がありますか? 何かをハッキングしているだけの場合はそうではありませんが、0.5 A ～ 1 A を超えたい場合には役に立ちます。ソース ポートが提供できる電流要求を超えた場合は、単にデバイスへの電力供給を停止します – 非常に安全な結果です。 一方、USB-C の哲学は、複数の保護層を持つことです。単純な 5.1 kΩ 抵抗アプローチで 15 W デバイスを構築している場合は、その電力を検出できるデバイスにしたほうがよいでしょう。供給が不足していること。 また、やり方はとても簡単です！

それ以外の場合は、デバイスが常に 5 V で 3 A を供給する充電器とペアリングされることを期待するだけで済みます。世の中の圧倒的多数の充電器はこれに対応しています。 そうすれば、問題が発生することはなくなり、常に 15 W のフル出力で動作することができます。ただし、デバイスをラップトップ ポートに接続している場合は、USB-C アダプタを使用して USB-C または USB-A に接続することもできます。 3 A が常に存在することを完全に期待する必要はありません。実際に確認してください。

遭遇するプルダウンは 5.1 kΩ だけではありません。 私たちハッカーが以前に遭遇したことのある別の種類のプルダウンがあります。それは Ra です。電子マーク付きケーブルについて話すときに登場するものです。

Emarker は基本的に、USB PD プロトコルと通信できるメモリ チップです。 これらは、通常よりも少し高級なケーブル、つまり USB3 や Thunderbolt などの高速機能を備えたケーブル、および 5 A ケーブルに使用されます。 これらはケーブル上の CC ラインを利用し、ソースまたはシンクのいずれかによってクエリできますが、通常はソースによってクエリされます。

USB-C ケーブル内に e マーカーがある場合、それには電力が必要になります。USB-C には、VCONN と呼ばれる電力を供給する方法があります。 ご存知のとおり、通信に使用される CC ピンは 1 つだけです。 CC ラインに接続されていない反対側の CC ピンは、eマーカーに電力を供給するために使用されます。 もう一方の CC ピンは VCONN です。

USB-C プラグ内では、どの CC ピンが CC ワイヤに接続されているかがわかるため、どのピンが VCONN として機能するかが事前にわかります。 ただし、プラグは 2 つの異なる方向で挿入できます。これは、レセプタクルが 2 つの CC ピンのいずれかを CC 通信ラインまたは VCONN ピンとして処理できる必要があることを意味します。 これにより、ケーブルが比較的シンプルで安価になり、デバイス自体が複雑さを処理できるようになります。

ハッカーであれば、おそらく VCONN について心配する必要はありません。 私たちのほとんどは、電流が 3 A 以下の USB2 または USB3 を使用するため、emark チェックはそれほど必要ありません。 さらに言えば、VCONN の供給など、USB-C のさまざまな側面を処理する IC もあります。

VCONN の電圧要件は、VBUS に供給することが期待される 5 V とは対照的に非常に緩やかです。許容範囲は 3 V ～ 5.5 V です。 スマートフォンの実装では、多くの場合、リチウムイオン単セル バッテリの電圧が直接使用されるため、2 回の変換が回避され、かなりの省電力が可能になります。 結局のところ、VCONN 電源は e マーカー用だけではなく、最大 1 W の電力バジェットで小さなアクセサリやヘッドフォン アダプタに電力を供給するためにも使用できます。 USB-C ハッカーによるこの楽しいプレゼンテーションでは、USB-C 仕様で VCONN 駆動デバイスで実行できる機能の全範囲をカバーする VCONN 駆動デバイスのプロトタイピングについて説明します。

そうは言っても、eマーカーはVCONNを必要とする最も普及したものであり、非常にシンプルです。 ケーブルに 2 つの e マーカーが含まれる場合もあれば、1 つ含まれる場合もありますが、これは製造上の選択です。 シングル e マーカー ケーブルの場合、ケーブルの一方の端に e マーカーが含まれ、追加の「e マーカー電源をもう一方の端に供給する」VCONN ワイヤが、e マーカー付きプラグからケーブルを通ってケーブルに接続されます。もう一方のケーブル プラグの VCONN ピン。 したがって、VCONN ワイヤについて言及されている場合は、それが意味するものです。ケーブルの一端の未使用の CC ピンに接続されたダイオード絶縁ワイヤで、もう一方の端の e マーカーに電力を供給するだけです。

さて、これはとても楽しいことですが、Ra プルダウンについてはどうでしょうか?

e マーカーは、プルダウン抵抗 (Ra として知られる) を VCONN ピンに適用することによって、その存在を知らせます。 800 Ω ～ 1200 Ω の範囲で平均 1 kΩ です。 レセプタクルが VCONN を供給できる場合、現在通信に使用されていない CC ピン上のそのような抵抗を探し、抵抗が検出されるとそのピンに VCONN を供給します。 その結果、この抵抗は、ケーブル プラグ内の 2 番目の CC ピン (ケーブルの両方のプラグ) で使用できます。

デバイスのレセプタクルで両方の CC ピンを一緒にショートし、高機能の E マーク付きケーブルを挿入するとどうなりますか? 5.1 kΩ の抵抗を 1 kΩ の抵抗と並列に接続すると、合計で 840 Ω のプルダウンが得られます。 このプルダウンは電源が CC ライン上で認識するものであり、5.1 kΩ の予想外です。 具体的には、分圧器が電圧を低くしすぎ、電源が VBUS に 5 V を供給しません。

これは、Raspberry Pi 4 の最初のリビジョンで行われたことです。覚えていますか? その結果、マークの付いたケーブルを使用して Type-C 充電器を介して Pi 4 に電力を供給することはできません。マークの付いていないケーブル、またはおそらく USB を備えた USB-A to USB-C ケーブルが必要になります。 - 電源。 そしてもちろん、公式の Raspberry Pi 電源には、キャプティブ ケーブルに eマーカーがありません。 e マーカーを使用する必要もありません。結局のところ、e マーカーは未知のケーブルについて質問することを目的としており、キャプティブ ケーブルは定義上既知のケーブルです。

私がこれまで誰も尋ねなかった質問は、「なぜ彼らはそんなことをしたのか?」というものでした。 回路図を確認すると、結合された CC ピンからの PD_SENSE ネットが PMIC のアナログ入力ピンに接続されていることがわかります。 もうおわかりかもしれませんが、標準の「電圧監視」部分は実装されましたが、「eマーカー」部分は適切に実装されていませんでした。 実際にどの程度の電圧監視を行っているのかは疑問ですが、少なくともその機能はあります。

Raspberry Pi は今後のリビジョンでこの問題を解決しており、古いリビジョンをお持ちの場合は、自分でパッチを適用できます。 彼らがどのようにパッチを当てたのかはまだわかりませんが、最終的には明らかになるでしょう。 それまでの間、抵抗器、e マーカー、およびとらえどころのない VCONN について知っておくべきことはこれですべてです。

次は、ポートの USB-C 電源、電源の役割、および高電圧です。