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Dec 04, 2023

Todo sobre USB

Si has estado siguiendo nuestra saga USB-C, sabes que el cable CC en el

Si has estado siguiendo nuestra saga USB-C, sabrás que el hilo CC de los cables USB-C se utiliza para comunicaciones y detección de polaridad. Sin embargo, lo que no es tan conocido es que se utilizan dos protocolos en USB-C para las comunicaciones: uno analógico y otro digital. Hoy, echemos un vistazo a la señalización analógica utilizada en USB-C; en parte, aprenda más sobre las legendarias resistencias de 5,1 kΩ y cómo funcionan. ¡También aprenderemos sobre los emarkers y la entidad misteriosa que es VCONN!

La fuente de alimentación USB-C espera detectar un cierto valor desplegable en la línea CC antes de proporcionar 5 V en VBUS, y cualquier voltaje más alto debe negociarse digitalmente. La PSU, ya sea el puerto de su computadora portátil o un cargador, puede detectar el pulldown (conocido como Rd) porque mantiene un pullup (conocido como Rp) en la línea CC; luego verifica si se ha formado un divisor de voltaje en CC y si el voltaje resultante está dentro del rango aceptable.

Si conecta un dispositivo que no permite acceder a un menú desplegable a través del cable CC del cable, su dispositivo nunca recibirá alimentación de un puerto USB-C y solo funcionará con un cable USB-A a USB-C. Se espera que incluso los dispositivos más inteligentes que pueden hablar la parte digital de USB-C tengan menús desplegables, solo que esos menús desplegables son internos al IC de comunicación USB-C utilizado. Un puerto USB-C que quiera recibir energía debe tener un menú desplegable.

Esta parte es bien conocida por ahora, pero hemos visto fallas por falta de resistencia en muchos dispositivos baratos, y el consejo coloquial es "agregue resistencias de 5.1 kΩ". Es posible que tenga miedo de pensar que es tan simple, pero se sorprendería.

Hay dos tipos de roles de alimentación para los puertos USB-C: lado de la fuente y lado del consumidor. El lado analógico de USB-C permite a los diseñadores agregar una forma sencilla de negociar los requisitos de energía cuando se usa USB-C a 5 V, sin usar circuitos integrados específicos o costosos, usando pullups para fuentes y pulldowns para sumideros. La combinación de un pullup y un pulldown forma un divisor de voltaje, y el voltaje en sí mismo representa la capacidad actual del cargador.

Ahora, en el modo de señalización analógica, la fuente puede ajustar el pullup en función del presupuesto de energía disponible, y eso es bastante útil. Imagine una computadora portátil o un cargador con múltiples puertos USB-C. A medida que se carga cada puerto, habrá menos corriente para dar a otros puertos, lo que se define en gran parte por cómo se construye internamente el dispositivo. Tome la computadora portátil Framework, por ejemplo, que está equipada con cuatro puertos USB-C. Cada puerto puede proporcionar 15 W a 5 V / 3 A, pero si desea alimentar cuatro dispositivos USB-C solo para fregadero a la vez, solo podrá proporcionar 1,5 A en el tercer y cuarto puerto, una limitación bastante razonable de una perspectiva de ingeniería.

Esto significa que se espera que los dispositivos de mayor consumo, como los dispositivos de 1,5 A y 3 A máx., controlen el voltaje en la línea CC para determinar si pueden exceder el presupuesto de energía ajustando sus demandas de energía o apagándose si el nuevo se excede el límite de corriente establecido.

¿Qué significa esto para usted como usuario? Nada, si sus dispositivos son lo suficientemente bajos en energía. Se espera que sus dispositivos controlen el voltaje en la línea CC y ajusten su apetito en consecuencia. Algunos dispositivos comprados en la tienda no harán eso, pero es raro. ¿Como hacker? Si construye un dispositivo que obtiene energía de un puerto USB-C y su objetivo es obtener 3 A completos a 5 V, recuerde que no todos los puertos USB-C le proporcionarán eso. Sin embargo, puede verificar la disponibilidad de 3 A midiendo el voltaje en la línea CC. O no, no soy tu mamá, y muchos dispositivos de piratas informáticos prosperan sin detección.

¿Qué voltajes puede esperar en la línea CC? Bueno, es el tipo de voltaje que puede leer con un ADC básico que tiene su microcontrolador, o incluso un comparador.

Como puede ver, todo tiene menos de 3,3 V, por lo que no necesitará un divisor de voltaje si está utilizando un ADC de microcontrolador de giro completo. Ah, y si lo que tiene es un conector USB-C, recuerde monitorear ambos pines CC por separado, por supuesto.

¿Realmente necesita monitorear el voltaje CC? Cuando solo está pirateando algo, no realmente, pero puede ayudar si lo hace cuando quiere ir más allá de 0.5 A - 1 A. Si excede las demandas actuales que el puerto de origen puede proporcionar, se supone que simplemente deje de suministrar energía a su dispositivo, un resultado bastante seguro. Por otro lado, la filosofía USB-C es tener múltiples capas de protección, y si está construyendo un dispositivo de 15 W con el enfoque de resistencia simple de 5,1 kΩ, también podría convertirlo en un dispositivo que pueda detectar su potencia. el suministro es insuficiente. Además, ¡es bastante fácil de hacer!

De lo contrario, puede esperar que su dispositivo quiera emparejarse con un cargador que siempre proporcione 3 A a 5 V, lo que hace la gran mayoría de los cargadores. Entonces, nunca tendrá problemas: siempre podrá trabajar con los 15 W completos. Sin embargo, si está conectando su dispositivo a un puerto de computadora portátil, ya sea USB-C o USB-A con un adaptador USB-C, puede No esperes que 3 A siempre esté ahí, en realidad querrás comprobarlo.

5.1 kΩ no es el único menú desplegable que encontrará. Hay un tipo diferente de menú desplegable, que los piratas informáticos hemos conocido antes, y es el Ra, algo que entra en juego cuando hablamos de cables con marca electrónica.

Los Emarkers son básicamente chips de memoria que pueden hablar con el protocolo USB PD. Se utilizan en cables que son un poco más sofisticados de lo normal, es decir, cables con capacidades de alta velocidad como USB3 y Thunderbolt, así como cables de 5 A. Se conectan a la línea CC del cable y pueden ser consultados por la fuente o el sumidero, aunque normalmente son consultados por la fuente.

Si hay un emarker dentro de su cable USB-C, necesitará algo de energía, y USB-C tiene una forma de proporcionarle energía: se llama VCONN. Como sabe, solo se usa un pin CC para la comunicación. El pin CC opuesto, no conectado a una línea CC, se usa para proporcionar energía al emarker; el otro pin CC es VCONN.

Dentro del conector USB-C, sabrá qué pin CC está conectado al cable CC y, por lo tanto, sabrá de antemano qué pin actuará como VCONN. Sin embargo, puede insertar el enchufe en dos orientaciones diferentes, y esto significa que el receptáculo debe poder tratar cualquiera de los dos pines CC como una línea de comunicaciones CC o un pin VCONN. Esto hace que los cables sean relativamente tontos y baratos, y permite que los propios dispositivos manejen la complejidad.

Como pirata informático, no tendrá que preocuparse por VCONN con toda probabilidad. La mayoría de nosotros trabajaremos con USB2 o USB3, no más de 3 A de corriente, y la comprobación de emarker no será tan necesaria. Yendo más allá, hay circuitos integrados que se encargarán de una multitud de aspectos de USB-C por usted, incluido, de hecho, el suministro de VCONN.

Los requisitos de voltaje en VCONN son bastante laxos, a diferencia de los 5 V que se espera que proporcione a VBUS: el rango permitido es de 3 V a 5,5 V; a menudo, es el voltaje directo de la batería de una sola celda de LiIon en las implementaciones de teléfonos inteligentes, lo que significa que evita dos conversiones y puede ahorrar bastante energía. Después de todo, la potencia de VCONN no es solo para emarkers, sino que se puede usar para alimentar pequeños accesorios y adaptadores de auriculares con un presupuesto de potencia de hasta 1 W. Esta divertida presentación de un hacker USB-C habla sobre la creación de prototipos de dispositivos alimentados por VCONN que cubren la gama completa de lo que la especificación USB-C permite que haga un dispositivo alimentado por VCONN.

Dicho esto, los emarkers son lo más común que quiere VCONN, y son bastante simples. A veces, un cable contendrá dos marcadores electrónicos, a veces contendrá uno: es una elección de fabricación. En el caso de un cable de un solo emarker, uno de los extremos del cable contendrá el emarker, y habrá un cable VCONN adicional para "llevar la alimentación del emarker al otro extremo" a través del cable desde el enchufe equipado con el emarker, conectado al pin VCONN en el otro enchufe del cable. Entonces, si alguna vez ve una mención de un cable VCONN, eso es lo que significa: un cable aislado por diodo conectado a un pin CC no utilizado en un extremo del cable, que simplemente lleva energía a un emarker en el otro extremo.

Ahora, esto es divertido y todo eso, pero ¿qué pasa con esa cosa desplegable de Ra?

Un emarker señala su presencia aplicando una resistencia desplegable (conocida como Ra) al pin VCONN; es 1 kΩ en promedio, en el rango de 800 Ω a 1200 Ω. Si el receptáculo puede proporcionar VCONN, busca dicha resistencia en el pin CC que no se usa actualmente para las comunicaciones y alimenta VCONN en ese pin cuando se detecta la resistencia. Como resultado, esta resistencia está disponible en el segundo pin CC dentro del enchufe del cable, en ambos enchufes del cable.

¿Qué sucede si corta ambos pines CC en el receptáculo de su dispositivo y luego inserta un cable marcado con alta capacidad? La resistencia de 5,1 kΩ se pone en paralelo con la resistencia de 1 kΩ y se obtiene un pulldown total de 840 Ω, más o menos. Este menú desplegable es lo que ve la fuente de alimentación en la línea CC y está fuera de la expectativa de 5,1 kΩ. Específicamente, el divisor de voltaje baja demasiado el voltaje y la fuente de alimentación no proporciona 5 V en VBUS.

Esto es lo que hizo Raspberry Pi 4 en sus primeras revisiones, ¿recuerdas? Como resultado, no habría podido alimentar el Pi 4 con un cable marcado a través de un cargador tipo C; necesitaría un cable no marcado o tal vez un cable USB-A a USB-C con un USB. -Una fuente de alimentación. Y, por supuesto, la fuente de alimentación oficial de Raspberry Pi no tiene un marcador electrónico en su cable cautivo. Tampoco es necesario que tenga un marcador electrónico; después de todo, los marcadores electrónicos están destinados a cuestionar cables desconocidos, y los cables cautivos son cables conocidos por definición.

La pregunta que no he visto hacer a nadie fue: ¿por qué lo hicieron? Si revisa el esquema, verá que la red PD_SENSE de los pines CC unidos va a un pin de entrada analógica en el PMIC. Es posible que ya pueda adivinar: implementaron la parte de "monitoreo de voltaje" del estándar, pero no implementaron la parte "emarker" correctamente. La cantidad de monitoreo de voltaje que realmente hacen es cuestionable, pero al menos la capacidad está ahí.

Raspberry Pi resolvió el problema en las próximas revisiones y, si tiene una revisión anterior, puede parchearla usted mismo. Todavía no sabemos cómo lo repararon, pero eventualmente lo descubriremos. Mientras tanto, esto es todo lo que debe saber sobre las resistencias, los emarkers y el elusivo VCONN.

A continuación: ¡Alimentación USB-C en puertos, roles de alimentación y voltajes más altos!