USB-PD - USB Power Delivery

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USB-PD - USB Power Delivery USB-PD ist eine Spezifikation um über USB-Steckverbindungen elektronische Geräte aufzuladen. Der Standard USB-PD ist dafür vom eigentlichen USB-Standard unabhängig.
Bei Handys und Smartphones ist das Laden von Akkus per USB-Kabel normal. Bei Tablets dauert das Laden aber schon relativ lange. Bei Notebooks ist das Laden per USB praktisch nicht möglich. Mit USB Power Delivery sollen in Zukunft auch Tablets und Notebooks per USB geladen werden. Dabei berücksichtigt USB-PD die Laderichtung der miteinander verbundenen Geräte. Die Stromversorgung über den USB war in der Vergangenheit immer problematisch. Und mit USB-PD wird sich das nicht ändern. Es lässt sich schwer beurteilen, wie gut die Aushandlung von Spannung und Strom zwischen den Geräten unterschiedlicher Hersteller gelingt. Abhängig von Gerät, Netzteil und Kabel werden einige Geräte zwar laden, aber dann nur langsam. Ohne eine Spannung über 5 Volt sind nur maximal 15 Watt möglich. Dass das Laden nur mit 3 Ampere möglich ist, dafür reicht schon das falsche Kabel. Es bedarf eines aktiven USB-Kabels mit elektronischen Komponenten im C-Stecker, damit mehr als 3 Ampere durchgeleitet werden dürfen.

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Übersicht: Stromversorgung über den USB

Über die Kabelverbindungen versorgt der USB einfache Geräte, wie Maus, Tastatur und Flachbett-Scanner mit Strom. Abhängig vom Standard reicht die Leistung von 500 mW, 2,5 bis 4,5 und 7,5 Watt. Leider ist das in der Regel zu wenig, um USB-Geräte mit ausreichend Strom zu versorgen. Deshalb werden viele USB-Ports außerhalb der zulässigen Leistungswerte betrieben
Um die bei der Stromversorgung auftretenden Probleme zu lösen, wurde mit USB Power Delivery (USB-PD) ein Spezifikation zur Stromversorgung über den USB herausgebracht. So kann man einem Gerät über eine USB-C-Steckverbindung bis zu 100 Watt Leistung liefern. Zum Beispiel zum Laden eines Notebooks.

  • USB 1.1 erlaubt nur 500 mW. Das heißt, bei 5 Volt dürfen die Geräte höchstens 100 mA Strom ziehen.
  • Bei USB 2.0 sind 2,5 Watt erlaubt. Das heißt, bei 5 Volt dürfen die Geräte 500 mA Strom ziehen. Für Tastaturen, Mäuse und USB-Sticks reicht das aus. Aber nicht für externe Festplatten. Trotzdem ziehen einige Geräte einen höheren Strom. Entweder liefert das Motherboard mehr Strom oder man arbeitet mit Y-Adaptern, die eigentlich verboten sind.
  • Bei USB 3.0 sind 4,5 Watt erlaubt. Das heißt, bei 5 Volt dürfen die Geräte 900 mA Strom ziehen, was das Problem mit der Stromversorgung über den USB meistens löst, aber nicht immer.
  • Mit USB Battery Charging (USB-BC) kommt ein Modus hinzu, der bis zu 7,5 Watt erlaubt, was bei 5 Volt 1,5 Ampere pro Port ermöglicht. Damit ist das Laden von Smartphones und Tablets über den USB möglich. Die Grenze von 7,5 Watt ist allerdings nicht willkürlich festgelegt. Für mehr sind die alten USB-Stecker nicht ausgelegt.
  • Mit USB Power Delivery (USB-PD) gibt es ein Protokoll, bei dem die elektronisch markierten Kabel (integrierter Chip) aushandeln, wie viel Strom über das Kabel übertragen werden darf. Das heißt, die Quelle liefert dem Verbraucher die möglichen Spannungs- und Stromwerte. Der Verbraucher sucht sich davon etwas aus und fordert das von der Quelle an. Erst dann schaltet die Quelle die Spannung auf die entsprechenden Pins. Grundsätzlich dürfen Quellen auch andere Werte, als die in der USB-PD-Spezifikation angegebenen Werte liefern. Aber maximal nur 5 Ampere bei 20 Volt, also maximal 100 Watt.
  • Die Spezifikation des USB-C-Steckers kennt aber auch noch ein vereinfachtes Verfahren für bis zu 7,5 Watt bei normalen und 15 Watt mit aktiven Kabeln.
Spezifikation Spannung Strom Leistung USB 1.0/1.1 5 Volt 0,1 A 0,5 W USB 2.0 5 Volt 0,5 A 2,5 W USB 3.0/3.1 5 Volt 0,9 A 4,5 W USB-BC 1.2 5 Volt 1,5 A 7,5 W USB-Typ-C 5 Volt 3 A 15 W USB-PD 5 bis 20 Volt 5 A 100 W USB Power Delivery mit bis zu 100 Watt Profil Spannung Strom Leistung Endgeräte 1 5 V 2 A 10 W Standard-Profil für die Inbetriebnahme, kleine mobile Geräte, Endgeräte, Smartphones, Handys, usw. 2 5 V 2 A 18 W Tablets, kleine Notebooks, zukünftige Endgeräte 12 V 1,5 A 3 5 V 2 A 36 W Kleine Notebooks, größere Endgeräte 12 V 3 A 4 5 V 2 A 60 W Große Notebooks, Hubs, Docking-Stations 12 V 3 A 20 V 3 A 5 5 V 2 A 100 W Workstations, Hubs, Docking-Stations 12 V 5 A 20 V 5 A

Die Spezifikation sieht fünf Profile für unterschiedliche Einsatzzwecke vor. Profil 1 entspricht den heutigen 10-Watt-Netzteilen (5 V mit maximal 2 A) und ist das einzige Profil, welches mit den üblichen USB-Kabeln realisierbar ist. Die höheren Profile benötigen spezielle Kabel, die für höhere Spannungen und Ströme ausgelegt sind.
Die Profile 2 und 3 bieten zusätzlich zur Standardspannung von 5 Volt auch 12 Volt mit maximal 3 A, die Profile 4 und 5 darüber hinaus auch 20 Volt mit maximal 5 A (100 Watt).

Hinweis: Über Micro-USB-Steckverbinder gehen maximal 3 Ampere (bei 5 Volt). Über normalgroße Steckverbinder (A- und B-Stecker) 5 Ampere (bei 5 Volt). USB-PD setzt im hohen Leistungsbereich eine USB-C-Steckverbindung bei beiden Kabelenden voraus.

  • USB-C-Stecker
USB-PD-Topologie

Damit sich ein Smartphone an einem Notebook auflädt, und nicht umgekehrt, gibt es eine definierte Flussrichtung, die unabhängig vom Betriebssystem und Betriebszustand funktioniert. Auf diese Weise lassen sich auch ausgeschaltete Geräte laden.
Dazu sieht USB-PD Stromlieferanten (Provider), Konsumenten (Consumer) und Kombigeräte vor. Die lassen sich in einem USB-Baum geliebig verteilen. Ladeflussrichtung und Maximalleistung des Profils werden pro Kabelverbindung individuell ausgehandelt.
Damit das Gebilde auch mit älteren Geräten funktioniert, sind USB-A-Buchsen zuerst Provider und USB-B-Buchsen Consumer. Sofern nichts dagegen spricht, stellt sich die Ladeflussrichtung automatisch um.

Weitere verwandte Themen:
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