USB-Stromversorgung

Die USB 1.x- und 2.0-Spezifikationen bieten eine 5-V-Versorgung über ein einziges Kabel zur Stromversorgung angeschlossener USB-Geräte. Die Spezifikation sieht nicht mehr als 5,25 V und nicht weniger als 4,75 V (5 V ± 5 %) zwischen der positiven und negativen Busstromleitung (VBUS-Spannung) vor. Bei USB 3.0 beträgt die von stromsparenden Hub-Ports gelieferte Spannung 4,45–5,25 V.

Y-förmiges USB 3.0-Kabel; Mit einem solchen Kabel kann ein Gerät gleichzeitig Strom über zwei USB-Anschlüsse beziehen

Eine Einheitslast ist bei USB 2.0 als 100 mA und bei USB 3.0 als 150 mA definiert. Ein Gerät kann bei USB 2.0 maximal fünf Lasteinheiten (500 mA) bzw. bei USB 3.0 sechs Lasteinheiten (900 mA) von einem Anschluss beziehen. Es gibt zwei Arten von Geräten: Low-Power- und High-Power-Geräte. Ein Gerät mit geringem Stromverbrauch (z. B. ein USB-HID) verbraucht höchstens eine Lasteinheit mit einer Mindestbetriebsspannung von 4,4 V bei USB 2.0 und 4 V bei USB 3.0. Ein Hochleistungsgerät verbraucht höchstens die maximale Anzahl an Einheitslasten, die die Norm zulässt. Jedes Gerät fungiert zunächst als Low-Power-Gerät (einschließlich High-Power-Funktionen während der Low-Power-Aufzählungsphasen), kann jedoch High-Power anfordern und es erhalten, wenn es auf dem bereitstellenden Bus verfügbar ist.

USB-Stromversorgungsstandards
Einige Geräte, wie z. B. externe Hochgeschwindigkeitslaufwerke, benötigen mehr als 500 mA Strom und können daher Probleme mit der Stromversorgung haben, wenn sie nur über einen USB 2.0-Anschluss mit Strom versorgt werden: fehlerhafte Funktion, Funktionsausfall oder Überlastung/Beschädigung des Anschlusses. Solche Geräte verfügen möglicherweise über eine externe Stromquelle oder ein Y-förmiges Kabel mit zwei USB-Anschlüssen (einer für Strom und Daten, der andere nur für Strom) zum Anschließen an einen Computer. Mit einem solchen Kabel kann ein Gerät gleichzeitig Strom über zwei USB-Anschlüsse beziehen. Die USB-Konformitätsspezifikation besagt jedoch, dass „die Verwendung eines ‚Y‘-Kabels (ein Kabel mit zwei A-Steckern) an jedem USB-Peripheriegerät verboten ist“, was bedeutet „Wenn ein USB-Peripheriegerät mehr Strom benötigt, als die USB-Spezifikation, für die es entwickelt wurde, zulässt, muss es über eine eigene Stromversorgung verfügen.“[72]

Ein über den Bus mit Strom versorgter Hub initialisiert sich selbst bei einer Lasteinheit und geht nach Abschluss der Hubkonfiguration auf die maximale Lasteinheit über. Jedes an den Hub angeschlossene Gerät verbraucht eine Lasteinheit, unabhängig von der Stromaufnahme der an andere Ports des Hubs angeschlossenen Geräte (d. h. ein an einen Hub mit vier Ports angeschlossenes Gerät verbraucht nur eine Lasteinheit, obwohl mehr Einheiten laden). werden dem Hub zugeführt).

Ein Hub mit eigener Stromversorgung versorgt jedes angeschlossene Gerät mit der maximal unterstützten Einheitslast. Darüber hinaus stellt der VBUS eine Upstream-Lasteinheit für die Kommunikation bereit, wenn Teile des Hubs ausgeschaltet sind.

Ladeanschlüsse

Die USB Battery Charging Specification Revision 1.1 (veröffentlicht 2007) definiert neue Arten von USB-Anschlüssen und Ladeanschlüssen . Im Vergleich zu Standard-Downstream-Ports , bei denen ein tragbares Gerät nach digitaler Aushandlung mit dem Host oder Hub nur mehr als 100 mA Strom ziehen kann, können Ladeanschlüsse ohne digitale Aushandlung Ströme zwischen 500 mA und 1,5 A liefern. Ein Ladeanschluss liefert bis zu 500 mA bei 5 V, bis zum Nennstrom bei 3,6 V oder mehr und senkt seine Ausgangsspannung, wenn das tragbare Gerät versucht, mehr als den Nennstrom zu ziehen. Der Ladeanschluss schaltet sich möglicherweise ab, wenn die Last zu hoch ist.

Es gibt zwei Arten von Ladeanschlüssen: Lade-Downstream-Anschlüsse (CDP) , die auch Datenübertragungen unterstützen, und dedizierte Ladeanschlüsse (DCP) , ohne Datenunterstützung. Ein tragbares Gerät kann den Typ des USB-Anschlusses erkennen; An einem dedizierten Ladeanschluss sind die D+- und D--Pins mit einem vorgegebenen Widerstand kurzgeschlossen, während nachgeschaltete Ladeanschlüsse eine zusätzliche Erkennungslogik bieten, sodass ihr Vorhandensein von angeschlossenen Geräten festgestellt werden kann.

Bei nachgeschalteten Ladeanschlüssen kann der Strom, der durch das dünne Erdungskabel fließt, Hochgeschwindigkeitsdatensignale stören. Daher darf die Stromaufnahme bei Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung 900 mA nicht überschreiten. Ein dedizierter Ladeanschluss kann einen Nennstrom zwischen 500 und 1.500 mA haben. Für alle Ladeanschlüsse gilt ein maximaler Strom von 5 A, sofern der Stecker den Strom verarbeiten kann (Standard USB 2.0 A-Anschlüsse sind für 1,5 A ausgelegt).

Bevor die Batterieladespezifikation definiert wurde, gab es keine standardisierte Möglichkeit für das tragbare Gerät, abzufragen, wie viel Strom verfügbar war. Beispielsweise zeigen die iPod- und iPhone-Ladegeräte von Apple den verfügbaren Strom durch Spannungen auf den D−- und D+-Leitungen an. Wenn D+ = D− = 2,0 V, kann das Gerät bis zu 500 mA ziehen. Wenn D+ = 2,0 V und D− = 2,8 V, kann das Gerät bis zu 1 A Strom ziehen. Wenn D+ = 2,8 V und D− = 2,0 V, kann das Gerät bis zu 2 A Strom ziehen.

An USB-Netzteilen befinden sich spezielle Ladeanschlüsse, die Netzstrom oder eine andere Stromquelle (z. B. das elektrische System eines Autos) umwandeln, um angeschlossene Geräte und Akkus zu betreiben. Auf einem Host (z. B. einem Laptop) mit sowohl Standard- als auch Lade-USB-Anschlüssen sollten die Ladeanschlüsse als solche gekennzeichnet sein.

Um gleichzeitiges Laden und Datenkommunikation zu unterstützen, auch wenn der Kommunikationsanschluss das Laden eines anspruchsvollen Geräts nicht unterstützt, werden sogenannte Zubehörladeadapter (ACA) eingeführt. Durch die Verwendung eines Zubehör-Ladeadapters kann ein Gerät mit einem einzigen USB-Anschluss gleichzeitig an ein Ladegerät und ein anderes USB-Gerät angeschlossen werden.

Die USB Battery Charging Specification Revision 1.2 (veröffentlicht im Jahr 2010) macht deutlich, dass es Sicherheitsgrenzen für den Nennstrom von 5 A von USB 2.0 gibt. Auf der anderen Seite werden mehrere Änderungen vorgenommen und die Grenzwerte werden erhöht, darunter die Zulassung von 1,5 A an den Lade-Downstream-Ports für nicht konfigurierte Geräte, die Zulassung von Hochgeschwindigkeitskommunikation bei einem Strom von bis zu 1,5 A und die Zulassung einer maximalen Stromstärke von 5 A. Außerdem wurde eine Überarbeitung vorgenommen 1.2 entfernt die Unterstützung für die Typerkennung von USB-Anschlüssen über Widerstandserkennungsmechanismen.

Schlaf- und Ladeanschlüsse

Über Sleep-and-Charge-USB-Anschlüsse können elektronische Geräte auch bei ausgeschaltetem Computer aufgeladen werden. Wenn ein Computer ausgeschaltet wird, sind normalerweise auch die USB-Anschlüsse ausgeschaltet. Dadurch wird verhindert, dass Telefone und andere Geräte aufgeladen werden können, wenn der Computer nicht eingeschaltet ist. Die Sleep-and-Charge-USB-Anschlüsse bleiben auch dann mit Strom versorgt, wenn der Computer ausgeschaltet ist. Bei Laptops führt das Aufladen von Geräten über den USB-Anschluss zu einer schnelleren Entladung des Laptop-Akkus, wenn dieser nicht mit Strom versorgt wird. Die meisten Laptops verfügen über eine Funktion zum Stoppen des Ladevorgangs, wenn der Ladezustand des eigenen Akkus zu niedrig wird. Damit die Schlaf- und Ladefunktion funktioniert, müssen Desktop-Geräte an das Stromnetz angeschlossen bleiben.

Ein gelber USB-Anschluss bedeutet „Schlafen und Laden“.

Diese Ports sind unterschiedlich gefärbt (meist rot oder gelb). Bei Dell-Laptops ist der Anschluss mit dem Standard-USB-Symbol und einem zusätzlichen Blitzsymbol auf der rechten Seite gekennzeichnet. Dell nennt diese Funktion „PowerShare“.

Bei Laptops von Acer Inc. und Packard Bell sind USB-Anschlüsse für den Schlaf- und Lademodus mit einem nicht standardmäßigen Symbol gekennzeichnet (die Buchstaben „USB“ über der Zeichnung eines Akkus); Die Funktion heißt einfach „Power-off USB“.

Standards für Ladegeräte für Mobilgeräte

In China

Seit dem 14. Juni 2007 müssen alle neuen Mobiltelefone, die in China eine Lizenz beantragen, einen USB-Anschluss als Stromanschluss zum Laden des Akkus verwenden. Dies war der erste Standard, der die Konvention zum Kurzschließen von D+ und D- verwendete.

Universelle OMTP/GSMA-Ladelösung

Im September 2007 gab die Open Mobile Terminal Platform-Gruppe (ein Forum von Mobilfunknetzbetreibern und -herstellern wie Nokia, Samsung, Motorola, Sony Ericsson und LG) bekannt, dass sich ihre Mitglieder auf Micro-USB als künftigen gemeinsamen Anschluss für Mobilgeräte geeinigt hatten .

Die GSM Association (GSMA) folgte diesem Beispiel am 17. Februar 2009, und am 22. April 2009 wurde dies von der CTIA – The Wireless Association – weiter unterstützt, wobei die International Telecommunication Union (ITU) am 22. Oktober 2009 bekannt gab, dass sie sich ebenfalls dem Universal angeschlossen hatte Charging Solution als „energieeffiziente One-Charge-Fits-All-Lösung für neue Mobiltelefone“ und fügte hinzu: „Basierend auf der Micro-USB-Schnittstelle verfügen UCS-Ladegeräte auch über eine Effizienzbewertung von 4 oder höher – bis zu drei.“ Mal energieeffizienter als ein Ladegerät ohne Nennleistung.

EU-Standard für Smartphone-Netzteile

Hauptartikel: Gemeinsame externe Stromversorgung

Im Juni 2009 unterzeichneten viele der weltweit größten Mobiltelefonhersteller ein von der EG gefördertes Memorandum of Understanding (MoU), in dem sie sich darauf einigten, die meisten in der Europäischen Union vermarkteten datenfähigen Mobiltelefone mit einer gemeinsamen externen Stromversorgung (EPS) kompatibel zu machen. Die gemeinsame EPS-Spezifikation der EU (EN 62684:2010) bezieht sich auf den USB-Batterieladestandard und ähnelt der GSMA/OMTP und chinesischen Ladelösungen. Im Januar 2011 veröffentlichte die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) ihre Version der (EU-)gemeinsamen Norm EPS-Standard als IEC 62684:2011.

Nicht standardmäßige Geräte

Einige USB-Geräte benötigen mehr Strom, als die Spezifikationen für einen einzelnen Anschluss zulassen. Dies ist häufig bei externen Festplatten und optischen Laufwerken sowie allgemein bei Geräten mit Motoren oder Lampen der Fall. Solche Geräte können eine externe Stromversorgung verwenden, was im Standard zulässig ist, oder ein USB-Kabel mit zwei Eingängen verwenden, von dem ein Eingang für die Stromversorgung und Datenübertragung und der andere ausschließlich für die Stromversorgung verwendet wird, was das Gerät zu einem Nicht-USB-Kabel macht. Standard-USB-Gerät. Einige USB-Anschlüsse und externe Hubs können in der Praxis USB-Geräte mit mehr Strom versorgen, als in der Spezifikation erforderlich ist, ein standardkonformes Gerät ist jedoch möglicherweise nicht darauf angewiesen.

Zusätzlich zur Begrenzung der durchschnittlichen Gesamtleistung, die das Gerät verbraucht, begrenzt die USB-Spezifikation auch den Einschaltstrom (d. h. den Strom, der zum Laden von Entkopplungs- und Filterkondensatoren verwendet wird), wenn das Gerät zum ersten Mal angeschlossen wird. Andernfalls könnte es beim Anschließen eines Geräts zu Problemen mit der internen Stromversorgung des Hosts kommen. USB-Geräte müssen außerdem automatisch in den Ultra-Low-Power-Suspend-Modus wechseln, wenn der USB-Host angehalten wird. Dennoch unterbrechen viele USB-Hostschnittstellen die Stromversorgung von USB-Geräten nicht, wenn diese in den Ruhezustand versetzt werden.

Einige nicht standardmäßige USB-Geräte nutzen die 5-V-Stromversorgung, ohne an einem ordnungsgemäßen USB-Netzwerk teilzunehmen, das den Stromverbrauch mit der Host-Schnittstelle aushandelt. Diese werden üblicherweise als USB-Dekorationen bezeichnet. Beispiele hierfür sind USB-betriebene Tastaturbeleuchtungen, Ventilatoren, Tassenkühler und -heizungen, Batterieladegeräte, Miniaturstaubsauger und sogar Miniatur-Lavalampen. In den meisten Fällen enthalten diese Geräte keine digitalen Schaltkreise und sind daher keine standardkonformen USB-Geräte. Dies kann bei einigen Computern zu Problemen führen, z. B. zu viel Strom und beschädigten Schaltkreisen. Vor der Batterieladespezifikation erforderte die USB-Spezifikation, dass Geräte in einem Energiesparmodus (maximal 100 mA) angeschlossen werden und ihre aktuellen Anforderungen an den Host übermitteln, der es dem Gerät dann ermöglicht, in den Hochleistungsmodus zu wechseln.

Einige Geräte verbrauchen, wenn sie an Ladeanschlüsse angeschlossen sind, sogar mehr Strom (10 Watt oder 2,1 Ampere), als die Batterieladespezifikation zulässt. Das iPad und MiFi 2200 sind zwei solcher Geräte. Für Barnes & Noble NOOK Color-Geräte ist außerdem ein spezielles Ladegerät erforderlich, das mit 1,9 Ampere betrieben wird.

USB-Stromversorgung

Im Juli 2012 gab die USB Promoters Group die Fertigstellung der USB Power Delivery („PD“)-Spezifikation bekannt, einer Erweiterung, die die Verwendung zertifizierter „PD-fähiger“ USB-Kabel mit Standard-USB-Typ-A/B-Anschlüssen zur Bereitstellung von bis zu 100 W Leistung vorschreibt bei 20 V. Für PD-fähige Kabel mit USB-Micro-B/AB-Anschlüssen beträgt die maximal unterstützte Leistung bis zu 60 W bei 20 V, 36 W bei 12 V und 10 W bei 5 V. In allen Fällen entweder Host-zu -Geräte- oder Gerät-zu-Host-Konfigurationen werden unterstützt.

Ziel ist es, als natürliche Erweiterung der bestehenden europäischen und chinesischen Ladestandards für Mobiltelefone ein einheitliches Laden von Laptops, Tablets, USB-Festplatten und ähnlich leistungsstärkeren Unterhaltungselektronikgeräten zu ermöglichen. Dies kann sich auch auf die Art und Weise auswirken, wie der für Kleingeräte verwendete Strom sowohl in Wohngebäuden als auch in öffentlichen Gebäuden übertragen und genutzt wird.

PoweredUSB

Hauptartikel: PoweredUSB

PoweredUSB ist eine proprietäre Erweiterung, die vier zusätzliche Pins hinzufügt und bis zu 6 A bei entweder 5 V, 12 V oder 24 V liefert. Sie wird häufig in Point-of-Sale-Systemen zur Stromversorgung von Peripheriegeräten wie Barcode-Lesegeräten, Kreditkartenterminals und Druckern verwendet .