Zasilanie urządzeń USB i problemy towarzyszące

Parametry pracy zasilania USB są często tematem lekceważonym oraz pomijanym.

Do momentu kiedy wszystko działa tak jak powinno są one “niewidoczne”. Dopiero w momencie pojawienia się problemów, użytkownicy zaczynają szukać przyczyny braku kompatybilności i czy tego chcą, czy nie, po sprawdzeniu urządzeń, sterowników w końcu zwracają swoją uwagę na kwestię zasilania.

Każdy z nas posiada bądź korzysta z urządzeń, do których zwykle istnieje jakaś dokumentacja, której nikt nigdy nie czyta. W szczególności, sytuacja taka występuje w momencie, kiedy dokumentacja dotyczy poszczególnych elementów składowych urządzenia i nie została ona zawarta w manualu dołączonym do sprzętu. Taka historia ma zazwyczaj miejsce kiedy chodzi m.in. o porty USB, Thunderbolt, Display Port, HDMI. Ich specyfikacje są publikowane na stronach konsorcjów, które opracowały standardy, przez co często kryją się pod mało medialnymi i zostającymi w pamięci nazwami, jak np. IEEE-1394.

Wydajność prądowa standardów USB:

USB 1.1: 500mA
USB 2.0: 500mA
USB 3.X: 900mA
USB_{BC (battery charging)}: 0,5- 1,5A
USB_{PD (power delivery)}: 2,5- 5A
Thunderbolt: 550mA
FireWire: 1,5 A
Display Port: 500mA

HDMI

bez wsparcia MHL: 55mA
MHL 1: 500mA
MHL 2: 900mA
MHL 3: 900mA
Raspberry PI: zależnie od wersji 200- 700mA

Kiedy wiemy, że mamy problem?

Niektóre z systemów komunikują fakt przeciążenia prądowego złącza, o ile są w stanie go wykryć. W przypadku bardziej pesymistycznego scenariusza, sygnałem o niepoprawnym funkcjonowaniu złącza może być swąd, seria ostrzeżeń błędach i inne, nie wykluczające się wzajemnie komunikaty.

Co się dzieje, gdy używamy przedłużacza lub Huba USB?

Przedłużacze często kuszą swoją funkcjonalnością w szczególności, gdy komputer posiada port usytuowany np. na trudno dostępnym tylnym panelu. Należy jednak pamiętać, że korzystanie z takiego rozwiązania może wnosić do naszego systemu pewne wady.

Każdy długi przewód dodaje do parametrów instalacji pewną pasożytniczą rezystancję, na której odkłada się część napięcia zasilającego odbiornik. W przewodach i przedłużaczach niższej jakości (zwykle rozpoznawalnych gołym okiem), przewody są znacznie cieńsze i wnoszą większe opory, przez co jeszcze bardziej obniżają napięcie oraz prądy. W momencie, gdy napięcie USB na końcu całego łańcucha hub’ów i przedłużaczy spada w okolice wartości 4,6V, można być niemal pewnym, że urządzenie nie będzie funkcjonowało tak ja należy.

Warto zwrócić uwagę, że długie przewody potrafią także degradować sygnały, nawet gdy elektrycznie są bardzo dobrej jakości. Jest to zależne od tego, że takie wielkości jak np. impedancja, jest nie tylko ciężko zapewnić na etapie produkcji, ale też wynika to ze sposobu ułożenia przewodu podczas eksploatacji.

Przedłużacze i extendery USB

Huby aktywne, czyli ekstendery, w dużej mierze rozwiązują problem degradacji sygnału na “sporych” odległościach. Spore – w zależności od kontekstu, oznacza różne wielkości, np. dla USB długość aktywnych przedłużaczy to zazwyczaj 3 metry i więcej.

Odbiorniki wpinane w gniazda USB mogą pobierać prąd nierównomiernie. Może to doprowadzić do sytuacji, gdzie w zasilaniu występują krótkie, a bardzo intensywne impulsy, które ciężko wykryć typowym miernikiem. Dla różnych urządzeń podłączonych dla huba, wartości te mogą sumować się do wartości przekraczających wartość graniczną. Skutkować to może zawieszaniem, resetowaniem oraz innymi dysfunkcjami urządzenia.

Poniżej zostało umieszczonych kilka zdjęć z badań grabbera USB (urządzenie do przechwytywania sygnałów AV na komputer), pracującego na różnych formatach obrazu wideo. Wynika z nich, że pobór mocy nie jest stały, różni się i w dużej mierze zależy od parametrów przetwarzanego sygnału.

Porównując te pomiary z przytoczoną wyżej tabelą wydajności prądowych, można zauważyć, że badany aparat, wpięty do portu USB – Thunderbolt na Macbooku, będzie bezproblemowo pracował z rozdzielczościami do 4K 30Hz, a z wyższymi już nie, ponieważ urządzenie nie będzie stanie go wystarczająco zasilić.

Powyższe porównanie dotyczy grabberów, jednak na dobrą sprawę dotyczy ogromnej większości urządzeń zasilanych przez USB, na co warto zwrócić uwagę przy tego typu podłączeniach.