USB 유입 전류 요구 사항 이해


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이전 질문 과 관련하여 돌입 전류에 대한 USB 2.0 요구 사항을 이해하려고합니다. 나는 기본 아이디어를 이해하지만 몇 가지 세부 사항은 여전히 ​​명확하지 않습니다. 이 사양 은 부분적으로 다음과 같이 명시합니다.

케이블의 다운 스트림 끝에 배치 할 수있는 최대 부하 (CRPB)는 44Ω
과 병렬로 10μF입니다 . 10μF 커패시턴스는 기능에서 VBUS 라인을 통해 직접 연결된 모든 바이 패스 커패시터와 디바이스의 레귤레이터를 통해 볼 수있는 용량 성 효과를 나타냅니다. 44Ω 저항은 연결 중에 장치가 끌어 당기는 전류의 한 단위 부하를 나타냅니다.

장치에 더 많은 바이 패스 커패시턴스가 필요한 경우 장치는 위의 부하 특성과 일치하도록 VBUS 서지 전류 제한 형식을 통합해야합니다.

USB-IF는 돌입 전류 테스트에 대한 설명 도 제공합니다 .

돌입 전류는 부착 후 최소 100 밀리 초 동안 측정됩니다. 부착은 플러그의 VBus 및 접지 핀이 소켓과 결합되는 순간에 정의됩니다.
100ms 간격 동안 100mA를 초과하는 전류는 돌입 전류 이벤트의 일부로 간주됩니다. 돌입 전류는 영역으로 나뉩니다. 영역은 전류가 100 µs 이상 동안 100 mA 아래로 떨어질 때까지 전류가 100 mA를 초과하는 간격입니다. 100ms 기간 동안 여러 유입 영역이있을 수 있습니다. 합격 / 불합격은 전하가 가장 높은 지역에 따라 결정됩니다.

그것은 명백한 것이지만 최소한의 측정 시간 만 제공하며, 통과 / 실패 결정을 내기 위해 돌입 영역에 어떤 알고리즘이 적용되는지는 설명하지 않습니다. 내가 생각하는 아이디어는 전류가 100mA를 초과하는 지역 중, 현재는이 기간 동안 전송 된 총 비용을 얻기 위해 통합되어 있으며, 총 비용은 10 University of Florida의 // 44 얻을 것보다 크지 않아야합니다 Ω 부하. 하나의 소스 에 따르면 , 이것은 5V * 10 µF = 50 µC입니다. 그것은 나의 이해가 약간 흔들리는 곳입니다.

이해를 돕기 위해 다음 회로를 분석했습니다 .

회로

[R1 저항은 사양의 일부가 아니지만 수학을 수행하는 데 필요하며 필요에 따라 0으로 설정할 수 있습니다.] 전류는 에서 시작 하여 V 1 / ( R 1 + R 2 ) 시정 수 ( 1 / R 1 + 1 / R 2 ) - 1 C 1 .V1/아르 자형1V1/(아르 자형1+아르 자형2)(1/아르 자형1+1/아르 자형2)11

시간 에서 이전 된 총 요금 은

()=V1아르 자형1+아르 자형2+V1아르 자형22(아르 자형1+아르 자형2)2{1특급(1(1아르 자형1+1아르 자형2))}

이 0이 될 때의 한계 에서아르 자형1

()=V1아르 자형2+V1

내가 이해할 수없는 한 부분은 USB 버스에서 5 볼트와 규정 된 44 Ω 부하로 5V / 44 Ω = 114 mA 전류가 항상 존재하며 인용 된 USB에 설명 된 100 mA 제한을 초과한다는 것입니다 -IF 테스트 및 저전력 USB 기능 (USB 2.0 사양 7.2.1 섹션)에 허용 된 최대 1 개 이상의 장치 (예 : 100mA) 부하. R1 = 0 제한 경우,이 전류는 R2 * C1 = 440 µs에서 커패시터 (즉, 50 µC)만큼 많은 전하를 끌어들입니다.

따라서 여전히 읽고 있다면 질문은 정확히 "위의 부하 특성과 일치"한다는 의미 (즉, 10 µF와 병렬로 44 Ω)가 무엇이며, 설명 된 USB-IF가 어떻게 유입 되는가입니다. 현재 테스트는 너무 많은 전류를 결정합니까?

감사.


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USB는 거의 5V를 제공하지 않습니다. 일반적으로 VBus에서 약 4.5V를 제공합니다. 지침은 약간 비관적이며 와이어에서 4.4V를 가정하므로 44 ohms = 1 단위 부하입니다.
ajs410

@ ajs410 : 5.0V에 가까운 USB 호스트를 본 적이 없습니다. 사양에 따르면 4.4 ~ 5.25V까지 다양 할 수 있으므로 장치는 해당 범위의 모든 전압에서 작동해야합니다.
endolith

사양의 전압으로 작동해야한다는 것이 맞습니다. 여러 PC와 심지어 4.5V를 얻는 전원 공급 허브에 대한 저의 경험이었습니다. 나는 적어도 허브가 5V를 와이어 아래로 통과시킬 것이라고 생각했지만 실제로 허브는 PC보다 전압이 낮았습니다.
ajs410

@endolith 4.4V는 전원이 공급되지 않은 허브가 포트에 허용하는 전압에 대해 말하고 있으며, 전원을 공급받지 않는 주변 장치를 설계해야하는 실제 최소값은 4.35V입니다. USB 호스트의 최소 전압은 4.75V입니다. 버스 전원 주변 장치는 호스트 포트에 직접 연결되지 않으며 종종 연결되지 않으므로 USB 호스트에서 측정하는 전압이이 설명과 관련이 없을 수 있습니다.
metacollin

답변:


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답은 아무도 모른다.

글쎄, 누군가 는 알고 있지만, 돌입 통과 / 실패 테스트는 독점 정보로 간주되며 그 결정 방법은 USB-IF에 의해 공개되지 않습니다. 나는 그것이 매우 만족스러운 대답은 아니지만 그것이 단순한 진실이라는 것을 알고 있습니다.

전기 적합성 테스트 페이지 를 인용하려면 (텍스트는 빨간색으로 표시되어 정상적인 USB-IF 심각도보다 심각하다는 것을 알 수 있습니다)

참고 : 다음의 승인 된 테스트 솔루션 중 일부는 독점 소프트웨어를 사용하여 신호 품질과 돌입 전류 이벤트를 평가합니다. 신호 품질 및 돌입 전류를 인증하기위한 유일한 공식 분석 도구 는 USB-IF에서 공개 한 USBET20 입니다. 공식적인 측정 평가를 위해 캡처 된 신호 품질을 실행하고 USBET를 통해 전류 테스트 데이터를 돌입하십시오.

명시 적으로 (I 비싼만큼 오실로스코프를 사용하지 않아야 그래서 나는이를 본 적이) 당신은 혼자 파형 캡처를 사용하여 결정을 또는 여러 개의 오실로스코프 ' "USB 돌입 테스트"기능 수 없다는되도록 하지 유효하고 유일한 방법에 돌입 전류 준수 충족은 USBSET20에서 장치가 준수를 충족한다고 말합니다. .tsv / .csv 파형 캡처 데이터를 가져와 USB 준수 정의 (html 형식)를 제거합니다.

USB 도구 다운로드 페이지에서 :

USBET20 (8MB, 2016 년 8 월)은 USB 준수 테스트를위한 독립형 전기 신호 분석 도구입니다. USBET20은 오실로스코프에서 캡처 한 신호 품질 및 돌입 전류 데이터에 대한 합격 / 불합격 평가를 수행하는 공식 준수 전기 분석 도구입니다.

더 자세히 설명하기 위해 최소한의 측정 시간 만 알려줍니다. 실제 합격 / 불합격 결정이 어떻게 이루어지는 지 알 필요가 없으며 실제로는 말하지 않습니다. USB-IF는 귀하가 규정을 준수하는지 여부를 기꺼이 알려 주지만, 실제로 (최소한 돌입 전류에 대해) 어떻게 판단하는지는 알려주지 않습니다.

최대 다운 스트림로드는 업스트림 장치 (호스트 포트 또는 허브)와 관련된 사양으로 주변 장치가 아닌 이들 중 하나를 설계 할 때 해당 허브 또는 포트는 44Ω 저항의 최대 다운 스트림로드와 병렬로 제공되는 10µF 커패시터. 그리고 당신은 절대적으로 정확합니다. 이것은 가장 극한의 조건에서 100mA 한계를 넘어 25mA까지 끌어 올 수 있습니다. 따라서, 업스트림 장치는 이러한 부하 (330mV 이상의 처짐을 의미하지 않는 "핸들")를 처리 할 수 ​​있어야합니다.

그러나 주변 장치가 이와 같은 부하 인 경우 가능한 전압 범위의 일부 (실제로는 모두)에서 100mA를 초과하기 때문에 규격을 통과하지 못합니다. 이러한 부하는 전적으로 업스트림 장치에 대한 최악의 설계 시나리오로 간주되며 테스트에 사용됩니다. 주변 돌입 전류 적합성 테스트와는 관련이 없습니다.

관련된 것은 실제로 전류에 관한 것이 아닙니다. 충전에 관한 것이므로 이미 올바른 길을 가고 있습니다. 특히, 전압 강하에 관한 것입니다. 허브의 업스트림 포트는 버스의 다운 스트림 주변 장치 인 버스 출력 VBUS에서 120µF 이상의 매우 낮은 ESR 커패시턴스를 가져야합니다.

불량품 커넥터, 불량품 케이블을 통해 불량품 커넥터를 사용하는 전원이 공급되지 않는 허브로가는 최악의 경우 출력 전압 (4.75V)을 제공하는 호스트 또는 전원 공급 허브,이 허브에는 불량품 VBUS 입력 전압이 VBUS 출력으로 추가됨 / 다운 스트림 전압 강하 (350mV), 전압은 4.4V입니다. crappy 커넥터를 통해 crappy 주변 장치에 연결된 4.4V는 저전력 장치의 실제 절대 최소 전압 인 4.35V를 볼 수 있습니다. USB 2.0 사양의 175 페이지에서 :

여기에 이미지 설명을 입력하십시오

수학을 해보자. 전원이 공급되지 않는 업스트림 허브는 120µF의 다운 스트림 커패시턴스를 가져야합니다. 4.4V * 120µF에서 충전은 528µC입니다. 연결된 장치에는 10µF 커패시터가 있습니다. 정적 부 하나 전력이없는 것으로 가정하면 포트에 충전 된 커패시터 만 있고 주변에 충전되지 않은 10µF가있는 경우 다른 쪽이 가득 찰 때까지가 아니라 그 사이의 전압이 같아 질 때까지 전하가 분배됩니다. 충전이 보존되므로 528µC의 시작 충전이 주어지면 두 커패시터 전압이 서로 동일한 지점이 대략 4.06V이다. 또는 40.6µC가 전송되었습니다. 커넥터 저항을 추가하면 다운 스트림 커패시터는 돌입 중에도 많은 전하를 끌어낼 수 없습니다.

문자 그대로 유일하게 중요한 요소는 10µF를 초과하지 않는 것입니다. 전류는 실제로 중요한 것이 아니며, 케이블 인덕턴스와 같은 것들이 실제 호스트 전력을 따라 잡기 위해 시간을주기 전에 과도 상태 동안 허브의 다운 스트림 포트 커패시턴스가 고갈 된 방법은 과도기 동안 330mV 이상으로 떨어지지 않고 고갈 될 수 있습니다. 그리고 10µF 커패시터는 그렇게 할 수없는 가장 가까운 값입니다.

또한 정전 용량 제한이 없습니다. 10µF 섹션으로 분할되고 그 중 하나만 부착물에 연결되는 한 다운 스트림 장치에서 1F의 모든 세라믹 커패시턴스를 가질 수 있습니다. 장치가 연결되면 10µF 단계 이하로 유지해야 하지만 10µF 단위로 더 많은 정전 용량을 점차 "온라인"상태로 만들 수 있습니다. 요점은 일시적인 현상을 피하는 것입니다.

그렇습니다. 이는 저전력 주변 장치가 4.35V까지 작동 할뿐만 아니라 새로운 무언가가 허브에 연결된 경우와 같이 330mV 전압 강하 과도 현상을 견뎌야한다는 의미입니다. 이는 이론적으로 거의 동시에 두 개의 장치를 적절한 시간에 연결하면 전원이 공급되지 않는 허브에서 다른 장치의 작동이 중단 될 수 있음을 의미합니다. HPET과 함께 로봇이 USB 버스 사양에서이 중요한 결함을 악용하여 몰락을 초래할 것이라고 확신합니다.

이제는 dI / dT 비율 또는 다른 어떤 것과 같은 다른 미묘한 측면이있을 것입니다. 합격 시험에 무엇이 포함되어 있는지 정확히 아는 사람. 테스트를 수행하는 프로그램에 7.5MB의 설치 프로그램이 있다는 것을 고려하면 간단하지 않다고 가정하는 것이 안전합니다. 그러나 자체 다운 스트림 커패시턴스로 업스트림 커패시터 저장소가 과도하게 고갈되는 것을 피하려고 노력한다는 점을 명심하십시오. 그게 전부입니다. 주변 장치로 인해 발생할 수있는 과도 전압으로 인해 다른 장치가 고장 나지 않는 한 문제가 없습니다. 그리고 실제로는 부착시 나타나는 정전 용량 또는 기타 전원 상태가 10µF로 변경되도록 유지해야합니다. 실제로는 10µF가 최대 값보다 작은 것을 사용하는 것이 좋습니다. 나는 절대 최대 값이 '표준'정전 용량 시작이어야한다는 아이디어가 시작된 곳을 알지 못하지만, 우수한 엔지니어는 최대 정격을 얻는 것보다 더 잘 알고 있습니다. 항상 과소 평가하십시오. 나는 멋진 4.7µF 커패시터를 좋아한다. 더 많은 디커플링이 필요한 경우 VBUS에 직접 연결하지 않고 100mA 서지 드로우로 제한하면 황금색입니다. 그러나 한 지역에서 40.6µC의 충전량이 전송되는 한 100mA를 초과하는 것이 허용됩니다.

돌입 전류에 대해 걱정하지 마십시오. 돌입 전류 테스트는 실제로 돌입 전류에 관한 것이 아닙니다.


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돌입 테스트는 USB-IF 준수 업데이트 ( http://compliance.usb.org/index.asp?UpdateFile=Electrical&Format=Standard#45 )에 지정되어 있습니다.

돌입 전류는 부착 후 최소 100 밀리 초 동안 측정됩니다. 부착은 플러그의 VBus 및 접지 핀이 소켓과 결합되는 순간에 정의됩니다. 100ms 간격 동안 100mA를 초과하는 전류는 돌입 전류 이벤트의 일부로 간주됩니다. 돌입 전류는 영역으로 나뉩니다. 영역은 전류가 100 µs 이상 동안 100 mA 아래로 떨어질 때까지 전류가 100 mA를 초과하는 간격입니다. 100ms 기간 동안 여러 유입 영역이있을 수 있습니다. 합격 / 불합격은 전하가 가장 높은 지역에 따라 결정됩니다.

합격 / 불합격은 50 uC 또는 5V x 10uF입니다 (@metacolin은 처짐을 고려했지만 USB는 그렇지 않습니다).

전류의 스코프 캡처를보고 각 영역에 대해 100mA 이상의 영역 (i * dt)을 계산하여 돌입을 근사하고 부착 후 100ms 이상 최악의 영역을 확인할 수 있습니다.

USBET은 .csv 데이터를 기반으로 계산을 수행합니다.

실제 최대 전류 자체는 관련이 없습니다.


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USB 허브 또는 호스트 어댑터 사양입니다. 블랙 박스 모델은 서지 테스트를위한 전형적인 부하를 나타내지 만 사양은 주변 장치에 1uF 최소 캡만 필요하며 10uF는 표준 값 부하로 간주됩니다. 커패시터는 ESR이 10mΩ 정도로 낮은 모든 종류로 제공되므로, 서지는 캡의 ESR과 1 또는 1.5m 케이블의 저항에 의해 제한됩니다. 케이블과 커넥터가 무시되거나 0Ω 인 경우 이론적으로 500A 서지 = 5V / 0.01Ω ESR 일 수 있습니다.

실제로는 훨씬 적을 것이지만 요점은 호스트의 ESR에 관계없이 호스트가 저전압 상태를 방지 할 수 있어야한다는 것입니다.

그렇게하는 방법은 디자이너에게 달려 있습니다.

그래서 당신의 질문은 ...

설명 된 USB-IF 돌입 전류 테스트는 너무 많은 전류가 어떻게 결정됩니까?

답변 : 호스트 전압이 전압 사양 내에서 유지되므로 핫 플러그 ​​인 돌입 전류 서지로 인해 다른 포트가 사양을 벗어난 상태로 표시되지 않습니다. 이것이이 테스트의 의도입니다.

또한 테스트에서 블랙 박스 테스트에서 100mA를 초과하는 서지가 표시되지 않으면 최소 1uF 부하의 핫 삽 입된 장치를 감지하지 못할 수 있습니다. 따라서 최소 서지가 예상되고 최대 피크는 없지만 최대 지속 시간이 있습니다.


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이것은 호스트가 아닌 주변 장치에 대한 사양입니다. 주변 장치의 적합성 검사 목록에 따르면 "10µF보다 작은 커패시터를 사용하거나 소프트 스타트 회로를 사용하여 디바이스가 뜨거울 때 100mA보다 높은 전류로 10µF 이하의 커패시턴스가 충전되도록 장치가 돌입 전류를 제한합니까? 연결 되었습니까? "
endolith
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