Alex_EXE

Современные привычные зарядные устройства с разъёмом USB на самом деле являются блоками питания (если кто-нибудь этого ещё не заметил) с распространённым напряжением 5В и хорошо подходят не только для зарядки сотовых телефонов, но и питания различных других устройств в том числе самодельных, что повсеместно используется.

С ростом ёмкости аккумуляторов носимых устройств технологии быстрой зарядки постепенно внедряются в нашу жизнь. Одна из таких технологий от Qualcomm — Quick Charge. Основное её преимущество, что после инициализации заряжаемое устройство может попросить через обычный USB разъём от 5 до 12В (до 20В в Power Delivery) при токах до 2А. Что даёт возможность питать от подобного ЗУ ещё пару дополнительных семейств устройств, с более большими распространенными напряжениями (например 9В и 12В), не прибегая к дополнительным блокам питаниям и преобразователям. Теперь от портативного аккумулятора в походных условиях без проблем можно получить 12В.

Quick Charge 12V триггер в работе

Для получения от зарядных устройств с поддержкой Quick Charge 12В был разработан простой и компактный триггер, который помещается в USB разъёме обычный вилки типа A.

Предыстория

Зарядку и повербанк с поддержкой QC я приобрел более года назад, ещё до приобретения первого телефона с поддержкой данного протокола. Очень заинтересовала идея получать от неё 12В не прибегая к дополнительным БП.

Описание протокола Quick Charge

По протоколу QC: питание отличное от 5В идёт по тем же линиям, что и 5В: GND и VDD. Диалог ЗУ и потребителя, или инициализация, идёт по линиям D+ и D-, где потребитель сообщает ЗУ, какое напряжение ему нужно. Если к ЗУ с поддержкой QC подключить обычное 5В устройство, то оно будет получать обычные 5В. Для работы устройств по протоколу QC подходят обычные USB разъёмы, переходники и USB провода (удлинители).

На данный момент существует несколько версий протоколов Quick Charge. Последняя на данный момент версия 4 с чем то.
В версии 3.0 QC позволяет запрашивать от ЗУ напряжение о 3.6 до 20В с шагом 0.2В
В версии 2.0 QC ЗУ может дать привычные 5В в обычных условиях и 9В, 12В и 20В по запросу.

Протоколы QC обратно совместимы, т.е. ЗУ с QC3.0 будет поддерживать протокол QC2.0.

Qualcomm разделяет ЗУ на 2 класса: class A могут выдавать до 12В, class B до 20В (менее распространены).

Описание протокола Quick Charge 2.0

В момент включение ЗУ выдает на выходе 5В и замыкает линии D+ и D-. Если потребитель не поддерживает QC, то он будет получать 5В. Для перехода в режим QC2.0, потребитель подает на линию D+ 0.6В. ЗУ определяет, что потребитель поддерживает QC2.0 и в ответ размыкает линии D+ и D-, линию D- подключает к общему. Теперь и подключенное устройство видит, что ЗУ поддерживает QC и на линию D+ подает 3.3В. ЗУ отпускает линию D- и считывая сочетание напряжений D+ и D- выставляет требуемое питание. (информация с Википедии)

После изучения работы зарядных устройств с поддержкой QC алгоритм был немного упрошен: на линии D+ всегда присутствует 0.6V, т.е. на линию они поступают сразу после подключения USB штекера. На линию D- для инициализации QC сразу после включения подаются 0.6V, через ~1.7 секунды на ~0.3 секунды линия подтягивается к общему проводу, после чего на линию подается снова 0.6В, что говорит, что мы хотим получить от ЗУ 12В.

Что бы получить 9В: на линию D+ нужно будет выставить 3.3В, а на линию D- 0.6В после инициализации QC, на 2 секунде.

Для диалога с ЗУ, что бы получить желанные 12В была разработана простая схема на одном из самых простых и дешевых микроконтроллеров pic10f200.

Схема триггера QC2.0 на pic10f200

Основу устройства выполняет микроконтроллер U2 pic10f200. Для питания микроконтроллера и делителей напряжения единым напряжением в схеме применен стабилизатор напряжения на 3.3В U1 LP2980AIM5-3.3 или его аналог, с входным напряжением до 16В. Два делителя напряжения R1 и R2, R3 и R4 собранны на резисторах 10К и 2.2К, которые делят напряжение 3.3В до 0.6В.

Перечень компонентов:

Компонент	Позиционное обозначение	Корпус	Количество
Микросхемы
LP2980AIM5-3.3	U1	SOT23-5	1
PIC10F200T-I/OT	U2	SOT23-6	1
Резисторы
10K	R1	0603	1
10K	R3	0402	1
2.2K	R2, R4	0402	2
Конденсаторы
0.1uF	C1, C2	0402	2
1uF	C3	0403	1

Разъем X1 — USB male — выполнен в виде дорожек на печатной плате. Для снятия напряжение на плате предусмотрены два пятока в правой части платы. Размер платы 23х11.4мм.

Печатка триггера QC2.0 на pic10f200

Почему был выбран микроконтроллер для решения такой простой задачи: простота, компактность и дешевизна, один контроллер заменяет несколько логических компонентов. Но тем не менее для тех, кто не любит микроконтроллеры была разработана схема на дискретной логики.

Схема триггера QC2.0 на дискретной логике

В данном варианте схемы МК заменен двумя транзисторами и 7 пассивными компонентами.

Работа схемы. Микросхема U1 обеспечивает схему стабильными 3.3В. При подачи питания полевой транзистор Q1 закрыт и на линию D- через делитель напряжения на резисторах R3 и R4 поступает 0.6В. На линию D+ 0.6В через R1 и R2 поступают постоянно. Конденсатор C4 начинает заряжаться через резистор R9, когда напряжение на базе транзистора Q2 опустится до 2.7В он откроется. Открытый транзистор Q2 подаст 3.3В через конденсатор C3 на затвор полевого транзистора Q1, что его откроет. Транзистор Q1 подтянет линию D- на общий провод. Конденсатор C3 будет заряжаться около 0.3 секунд, когда он зарядится, то перестанет проводить напряжение на затвор транзистора Q1, что приведет к его закрытию. При закрытие транзистора Q1 на линии D- снова установится напряжение в 0.6В. Резисторы R7 и R8 нужны для разряда конденсаторов C3 и C4, когда схема обесточена.

Перечень компонентов:

Компонент	Позиционное обозначение	Корпус	Количество
Микросхемы
LP2980AIM5-3.3	U1	SOT23-5	1
Полупроводники
IRLML2402	Q1	SOT-23	1
BC857BW	Q2	SOT-323	1
Резисторы
10K	R1	0603	1
2.2K	R2, R4	0402	2
10K	R3	0402	1
220K	R5	0402	1
47K	R6	0402	1
2M	R7, R8, R9	0402	3
Конденсаторы
0.1uF	C1, C2	0402	2
1uF	C3	0402	1
4.7uF	C4	0603	1

Разъем X1 — USB male — выполнен в виде дорожек на печатной плате. Снятие напряжение производится с пятоков в правой части платы. Размер платы 23х11.4мм.

Печатка триггера QC2.0 на дискретной логике

Платы имеют следующий вид:

Две платы QC триггеров: сверху на логике, снизу на МК

Плата на микроконтроллере из-за меньшего количество компонентов имеет более свободный монтаж.

Небольшой размер платы выбран не случайно — плата помещается внутри USB вилки.

Вид на плату и компоненты внутри собранного разъема

У данного триггера есть один недостаток. Для уменьшения размеров, упрощения схемотехники и уменьшения количества компонентов, т.е. для упрощения и удешивления: входное напряжение со входа, т.е. от ЗУ сразу поступает на выход. Из-за этого при подключении триггера к ЗУ первые ~2 секунды на выходе получаем сначала 5В, а только затем 12В. Эту особенность нужно учитывать, если подключить через данный триггер особо нежные и требовательные устройства, которые могут не простить пониженного напряжения на входе. В идеале было стоило бы триггер дополнить ключом на полевом транзисторе, которые на время инициализации не подавал бы напряжение на подключенное триггером устройство.

Ещё при работе данными триггером с портативными зарядными устройствами (powerbank) нужно учитывать особенность этих самых повербанков. Что при обычном подключении повербанк через пару секунд отключает нагрузки с низким током потребления. Из этого следует, что если сначала подключить триггер к портативной ЗУ и помедлив подключить к устройству, то устройство не получит питания, т.к. повербанк уже отключит выход. Решение: или сначала триггер подключат к устройству, а потом к портативному ЗУ, или не медлить с подключением устройства после подключения к повербанку.

История

История разработки QC триггера

Реализация диалога между потребителем и зарядным устройством в различных ЗУ может отличатся, что немного затянуло разработку. Первое моё ЗУ с поддержкой QC была от Ugeen и у ней диалог инициализации устроен более просто, схеме было достаточно всего одного транзистора и цепочки из конденсатора и резистора для формирования задержки в ~ 1.7 секунды при включении (плата слева вверху). Но с другими ЗУ с поддержкой QC данный алгоритм не сработал и схемотехнику пришлось усложнить.

Тестирование

Часть зарядных устройств с которыми был протестирован триггер

Устройства с которыми протестирован триггер:

• UGREEN CD132
• Xiaomi ZMI 10000 mAh QB810
• AUKEY 5000mAh PB-T12
• BlitzWolf BW-S5
• BlitzWolf BW-S7
• Xiaomi Power bank v2 20000mah QC3.0 (PLM05ZM)

Что было у меня запитано данным способом помимо телефона: прожектор для фотоаппарата, светодиодная лента, HDD 3,5″ кейс, роутер, паяльник, клеевой пистолет, вентилятор с фильтром для пайки, ЗУ для 18650…

Дополнение.

Спустя 2 года использования у самодельной платы стал плохой контакт — видимо окислились дорожки, пользоваться стало почти невозможно. У заказанных плат с золочёными контактами всё в порядке.

Если данный триггер заинтересовал, то его можно приобрести. Больше не произвожу.

Характеристики:

Серийный триггер

Скачать файлы для версии на микроконтроллере
Скачать файлы для версии на дискретной логике

Набор файлов включает:

• qc20_12V.hex — прошивку для МК
• PCB1.PcbDoc — PCB файл печатной платы для Altium Designer
• gerber.gtl и gerber.gko — gerber файлы для производства печатной платы
• CAMtastic.Cam — CAMtastic — файл для производства печатной платы (аналог gerber)
• lut.PDF — pdf файл с рисунком дорожек для изготовления методом ЛУТ
• assembly.PDF — pdf файл со сборочным рисунком

Дополнена 2021.01.25