USB Type-C, Power Delivery và Programmable Power Supply là gì ?

Thiết kế của USB (Universal Serial Bus) đã được sử dụng làm tiêu chuẩn cho các đầu nối và các tín hiệu liên quan cũng như phân phối điện từ năm 1996. Trong thời gian này, đã có nhiều thay đổi đối với các thông số kỹ thuật để cải thiện hiệu suất của các hệ thống sử dụng các tiêu chuẩn này. Những phát triển mới nhất áp dụng cho các thiết kế bộ nguồn bao gồm đầu nối USB Type-C, thông số kỹ thuật phân phối nguồn USB và thông số kỹ thuật bộ cấp nguồn có thể lập trình USB.

Những cải tiến này làm cho USB trở thành một lựa chọn tuyệt vời để cung cấp điện năng, trong khi trước đây USB chủ yếu là nhà cung cấp dữ liệu và tín hiệu với khả năng cấp nguồn hạn chế. Trong bài đăng này, chúng tôi sẽ thảo luận về mối quan hệ giữa USB Type-C, USB Power Delivery và USB Programmable Power Supply, cũng như cách chúng liên quan đến nguồn điện.

  • USB Type-C: là đầu nối USB được tiêu chuẩn hóa, các lợi ích bao gồm thiết kế nhỏ gọn, kiểu dáng đẹp và có thể đảo ngược.
  • USB Power Delivery (Phân phối điện qua USB): là một thông số kỹ thuật cho phép tải và cấp nguồn thỏa thuận với nhiều mức phân phối điện tiêu chuẩn. USB Power Delivery tăng khả năng cấp nguồn của USB lên 100 W và đặc biệt hữu ích khi cung cấp điện cho nhiều thiết bị.
  • USB Programmable Power Supply (bộ cấp nguồn có thể lập trình USB) : là một đặc điểm kỹ thuật bổ sung cho phân phối nguồn qua USB mô tả cách tải và nguồn điện giao tiếp cho các mức phân phối điện tăng dần. Tính năng này có thể đặc biệt hữu ích để sạc pin.

Đầu nối USB Type-C

Thiết kế đầu nối USB Type-C (còn được gọi là USB-C) đối xứng để có thể cắm theo cả hai cách, có nghĩa là không có mặt bên phải hoặc lộn ngược. Điều này cho phép cắm phích cắm nhanh hơn và dễ dàng hơn so với các thiết kế đầu nối USB trước đây. Với các thiết kế đầu nối trước đây, người dùng được yêu cầu kiểm tra trực quan đầu nối để xác định hướng chính xác hoặc trải qua quá trình thử nghiệm và xử lý lỗi khi lắp đầu nối, tạo ra một sự bất tiện nhẹ nhưng quá quen thuộc. Một tính năng khác của phích cắm USB Type-C là nó có các cạnh tròn và điều này mang lại lợi ích của đặc tính tự căn chỉnh khi cắm phích cắm.

minh họa các đầu nối USB

Phích cắm USB Type-C được thiết kế để cung cấp mức công suất vừa phải (dưới 100 W) và các thông số kỹ thuật đi kèm với phích cắm nhỏ cho phép cung cấp điện cho nhiều loại sản phẩm điện tử nhỏ gọn. Một lợi thế của việc sử dụng đầu nối USB để chuyển nguồn và tín hiệu là nó là một thiết kế tinh vi với chi phí phát triển tương đối thấp. Điều này phần lớn là do tính kinh tế theo quy mô có được nhờ việc áp dụng rộng rãi trình kết nối ở cấp độ toàn cầu. 

Một ưu điểm khác là hệ thống đã được xác nhận bởi một số lượng lớn người dùng và thiết kế sản phẩm, có nghĩa là thiết kế đã chứng minh được độ tin cậy của nó và để lại một xác suất rất nhỏ là bất kỳ vấn đề vận hành nào chưa biết sẽ phát sinh. Điều quan trọng cần lưu ý là USB Type-C thường sẽ có giá cao hơn so với thế hệ đầu nối USB cũ do sự phức tạp và tốc độ mà USB Type-C cung cấp. Tuy nhiên, khi đầu nối USB Type-C trở nên phổ biến hơn, chi phí dự kiến ​​sẽ được điều chỉnh cho phù hợp.

Ứng dụng USB Type-C không phù hợp

Một nhà thiết kế có thể chọn sử dụng đầu nối USB Type-C do kiểu dáng đẹp, kích thước nhỏ và chi phí thấp, nhưng quyết định không tuân thủ các tiêu chuẩn USB Power Delivery. Xác suất gây hư hỏng thiết bị có thiết kế không phù hợp sẽ thấp miễn là điện áp của nguồn điện không phù hợp là 5 V và thông số dòng tải tối đa nhỏ hơn định mức 5 A của đầu nối. Nguy cơ đáng kể làm hỏng tải sẽ tồn tại nếu nguồn điện không phù hợp cung cấp điện áp đầu ra lớn hơn điện áp USB kế thừa là 5 V.

Mối quan hệ giữa USB Type-C, Power Delivery và 3.1 Gen 2

Đầu nối USB Type-C được kết hợp chặt chẽ với USB 3.1 Gen 2 và USB Power Delivery. Điều này thường tạo ra sự nhầm lẫn về mối quan hệ giữa các khái niệm Type-C, 3.1 Gen 2 và USB Power Delivery. Điều quan trọng cần lưu ý là trong khi các khái niệm này có liên quan và bổ sung cho nhau, chúng độc lập. Một thiết bị hoặc nguồn điện có thể sử dụng đầu nối USB và không triển khai USB 3.1 thế hệ 2 hoặc USB Power Delivery.

Điều quan trọng cần lưu ý là các giao thức USB có thể được triển khai với các đầu nối khác với đầu nối USB được chỉ định. Khách hàng có thể chọn sử dụng các giao thức nguồn và dữ liệu USB để tận dụng các nỗ lực xác minh và phát triển cực kỳ lớn đã được triển khai bởi USB, nhưng không sử dụng các đầu nối chuẩn hóa USB để tạo ra một hệ thống độc quyền.

Cung cấp điện qua USB

Một trong những mục tiêu của USB là duy trì khả năng tương tác giữa việc triển khai tuân thủ các phiên bản thông số kỹ thuật cũ hơn và mới hơn. Trong các phiên bản trước của tiêu chuẩn USB, điện áp được phân phối được chỉ định là 5 V. Tiêu chuẩn USB Power Delivery cho phép điện áp được phân phối là 5 V, 9 V, 15 V hoặc 20 V và ở mức công suất lên đến 100 W.

Phiên bảnCông suất tối đaVônDòng điện tối đa
USB 2.02,5 W5 V500 mA
USB 3.14,5 W5 V900 mA
USB BC 1.27,5 W5 V1,5 A
USB Type-C 1.215 W5 V3 A
USB PD100 W5/9/15/20 V5 A

USB Power Delivery thiết lập các giao thức hoạt động để đảm bảo rằng điện áp cao hơn có sẵn trong các phiên bản USB gần đây không làm hỏng thiết bị cũ được thiết kế cho hoạt động 5 V. Để ngăn chặn thiệt hại như vậy, USB Power Delivery yêu cầu thiết bị phù hợp để ban đầu cung cấp 5 V ở mức tối đa 900 mA cho tải. Khi đó, giao tiếp giữa tải và nguồn điện có thể thiết lập dòng tải tối đa cao hơn và điện áp hoạt động lớn hơn. Nếu không có giao tiếp nào xảy ra sau khi kết nối tải và nguồn điện thì cấu hình nguồn điện vẫn ở mức công suất dòng tải tối đa 5 V và 900 mA. Nếu giao tiếp giữa tải và nguồn điện bị mất sau khi đã được thiết lập thì nguồn điện sẽ hoàn nguyên về cấu hình 5 V và 900 mA một cách an toàn.

Biểu đồ mức công suất được chỉ định bởi USB PD
Các mức năng lượng được chỉ định bởi USB Power Delivery

Ứng dụng cung cấp điện qua USB

Ưu điểm của USB Power Delivery là tạo ra một nguồn điện duy nhất có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhiều sản phẩm sẽ mang lại lợi ích lớn nhất khi các sản phẩm tinh vi và đắt tiền. Ví dụ về ứng dụng cho USB Power Delivery là nguồn điện được sử dụng để sạc điện thoại di động, laptop, máy tính bảng, smartwatch. Tất cả các sản phẩm này đều đủ tinh vi để có thể chấp nhận được chi phí tăng thêm và sự phức tạp để giao tiếp với nguồn điện. Ngoài ra, người dùng có thể đang ở trong xe, trong phòng, văn phòng hoặc đang đi du lịch ở những nơi họ mong muốn được cung cấp điện cho các thiết bị đó, nhưng sự kết hợp của các tải điện khác nhau sẽ khó dự đoán. 

Hình minh họa hiển thị các thiết bị trong phạm vi dải USB PD

Mặc dù tuyên bố rằng USB Power Delivery sẽ cho phép sạc pin nhanh hơn là không sai, nhưng chúng có thể bị hiểu nhầm. Thời gian cần thiết để sạc pin bị giới hạn bởi cấu tạo của pin và khả năng cung cấp năng lượng của bộ nguồn. Việc triển khai USB Power Delivery sẽ rút ngắn thời gian cần thiết để sạc pin nếu việc sạc pin bị giới hạn bởi khả năng cung cấp năng lượng của bộ sạc chứ không phải do cấu tạo của pin. USB Power Delivery sẽ không làm giảm thời gian sạc khi so sánh với nguồn điện đầu ra cố định khi công suất đầu ra của cả hai nguồn là như nhau.

Các sản phẩm có thể không phải là ứng cử viên sáng giá cho phân phối nguồn qua USB là những sản phẩm ít phức tạp hơn và ít tốn kém hơn với yêu cầu điện năng tương đối thấp. Các sản phẩm rẻ tiền hơn có thể không hấp thụ được chi phí thiết kế và sản xuất do khả năng phân phối nguồn qua USB được tích hợp trong thiết bị để giao tiếp với nguồn điện. Trong hầu hết các ứng dụng mà nguồn điện được chọn để cung cấp điện cho tải, thì công suất nguồn điện sẽ chỉ được chọn khi tải yêu cầu. Nếu nguồn điện có công suất lớn hơn được chỉ định thì công suất dư thừa trong nguồn sẽ làm cho kích thước và giá thành của nguồn lớn hơn yêu cầu. Khả năng cung cấp điện của nguồn phân phối điện qua USB phải được thiết kế để cung cấp công suất danh định tối đa của nguồn có thể định cấu hình.

Bộ cấp nguồn có thể lập trình USB

Giao thức nguồn điện có thể lập trình USB cung cấp khả năng kiểm soát phân phối điện tốt hơn so với cả giao thức phân phối nguồn điện cũ và USB. Trong khi giao thức vận hành USB Power Delivery điều chỉnh cách bộ nguồn USB cung cấp các mức điện áp rời rạc, thì giao thức vận hành bộ nguồn lập trình USB thiết lập khả năng kiểm soát điện áp đầu ra và đặc tính dòng điện của bộ nguồn ở mức chi tiết.

Các ứng dụng cung cấp điện có thể lập trình USB

Một ứng dụng phổ biến yêu cầu kiểm soát chi tiết điện áp và dòng điện, như được cung cấp bởi bộ nguồn lập trình USB, là sạc pin. Trong cấu trúc liên kết bộ sạc pin thông thường, nguồn điện áp được cấp cho mạch điều khiển sạc pin và đầu ra của hệ thống cung cấp điện áp và dòng điện thích hợp để sạc pin. Điều này hoạt động tốt khi các đặc tính dòng điện và điện áp sạc pin được tiêu chuẩn hóa và do đó mạch sạc pin có thể là một thiết kế tiêu chuẩn. 

Đối với các ứng dụng yêu cầu cấu hình sạc hiện tại và điện áp tùy chỉnh cho pin thì bộ nguồn có thể lập trình USB có thể là giải pháp tốt hơn. Với nguồn cấp điện có thể lập trình USB, tải sẽ theo dõi trạng thái của pin và cung cấp các lệnh cho nguồn điện để pin được sạc với cấu hình điện áp và dòng điện chính xác. Cần lưu ý rằng khi cấu hình nguồn cấp có thể lập trình USB được sử dụng để sạc pin, nhóm phát triển sẽ được yêu cầu thiết kế, triển khai và thử nghiệm thuật toán và mạch sạc pin trong khi khi chọn mạch sạc pin tiêu chuẩn thì nhà cung cấp pin mạch sạc đã hoàn thành hầu hết hoặc tất cả các nhiệm vụ đó.

Phần kết luận

Đầu nối USB Type-C và thông số kỹ thuật của USB Power Delivery cung cấp những cải tiến đáng kể cho các tiêu chuẩn USB. Trong khi việc thực hiện tiêu chuẩn hoàn chỉnh sẽ cho phép các hệ thống được nâng cao rất nhiều, những lợi ích đáng kể cũng có thể được thực hiện khi chỉ thực hiện các phần của tiêu chuẩn và giao thức mới. Dự kiến, đầu nối USB Type-C sẽ được sử dụng trong nhiều ứng dụng phân phối điện 5 V truyền thống với yêu cầu dòng tải từ 5 A trở xuống do kích thước nhỏ, thiết kế cải tiến và giá thành thấp của đầu nối.

Chia sẻ suy nghĩ, quan điểm của bạn

Leave a reply

Sao Hải Vương
Logo