O que é fornecimento de energia USB? Tudo que você precisa saber

Gigantes da tecnologia como Apple e Samsung pararam de enviar carregadores com seus dispositivos e, de acordo com a Apple, “Existem mais de dois bilhões de adaptadores de energia da Apple no mundo. Portanto, estamos removendo esses itens da caixa do iPhone para reduzir as emissões de carbono e evitar a mineração e o uso de metais preciosos”.

Olhando para a declaração da Apple, você ficaria com a impressão de que poderia usar os carregadores que possui para carregar seu dispositivo, mas há um problema.

Você não pode carregar rapidamente seu dispositivo usando qualquer adaptador de energia; para fazer o mesmo, você precisa de um adaptador de energia especial, que suporte uma tecnologia chamada fornecimento de energia USB.

Então, o que é o fornecimento de energia USB e como ele carrega rapidamente o seu dispositivo?

Neste artigo, veremos o fornecimento de energia USB e ajudaremos você a entender por que você precisa de um adaptador diferente para carregar seus dispositivos com mais rapidez.

Antes do lançamento do USB em 1996, os usuários tinham que usar conectores diferentes para conectar seus monitores, teclados ou dispositivos apontadores; portanto, se você quisesse conectar um teclado ao computador, precisava de um conector PS/2.

Além disso, quando você conectava um dispositivo, era necessário instalar drivers específicos do dispositivo, e não era isso. Depois de fazer tudo, foi necessário reiniciar o dispositivo para que o computador pudesse descobrir o periférico.

Com a invenção do USB, bastava conectar o dispositivo e ele funcionaria como mágica.

Embora o USB tenha resolvido muitos problemas, ele foi desenvolvido tendo em mente a transferência de dados e a compatibilidade e, com o advento da computação móvel, tivemos outro problema: o carregamento.

Categoria USB Tensão Máxima (V) Corrente máxima(A) Potência (W) Tempo estimado em horas para carregar (bateria de 4000 mAh) Ano de lançamento
USB 2.0 5 0,5 2,5 6,5 2000
USB 3.0 5 0,9 4,5 3.6 2008
Carregamento de bateria USB 1.2 5 1,5 7,5 2 2010
USB tipo C (corrente @ 1,5A) 5 1,5 7,5 2 2014
USB tipo C (corrente @ 3A) 5 3 15 1 2014

Antigamente, as baterias dos telefones eram menores e a saída do telefone da porta USB (2,5 W) era suficiente para carregar a bateria do telefone.

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À medida que o tamanho das baterias aumentava, a energia do adaptador de energia não era suficiente para carregá-las a tempo.

Para resolver este problema, foi necessário injetar maiores quantidades de energia na bateria, mas esta solução apresentava um problema.

O fornecimento de maiores quantidades de energia a uma bateria de íons de lítio causou aquecimento interno da bateria, degradando a vida útil da bateria do smartphone.

Portanto, para resolver este problema, são necessárias metodologias de comunicação inteligentes para que maiores quantidades de energia possam ser fornecidas à bateria sem degradar sua vida útil, e é isso que é o carregamento rápido. É um conjunto de protocolos de comunicação entre o sistema de gerenciamento de energia da bateria e o adaptador de carregamento.

Ao utilizar estes protocolos de comunicação, tanto o carregador como o smartphone podem comunicar entre si. Esta comunicação ajuda a manter a bateria em melhor estado de saúde enquanto a carrega em velocidades mais altas.

Agora que sabemos o que é o carregamento rápido, precisamos entender por que existem tantos tipos diferentes de protocolos de carregamento rápido.

Pois bem, como explicamos anteriormente, a energia fornecida pela porta USB de acordo com o padrão USB não era suficiente para um carregamento rápido.

Para resolver esse problema, diferentes fabricantes de celulares criaram tecnologias mais recentes, como carregamento rápido adaptativo (Samsung), carregamento rápido (Qualcomm) e carregamento Warp (One plus). Essas tecnologias aumentaram a tensão/corrente máxima em comparação com as especificações USB, permitindo que os dispositivos carreguem mais rapidamente.

Tecnologia Potência máxima (W)
Carregamento super rápido Samsung 2.0 45
Potência turbo 30 28,5
Oppo Super VOOC 50
Hipercarga Xiaomi 120
Huawei SuperCarga 44+
Carga rápida Qualcomm 5 Mais de 100

Embora esse método tenha ajudado os OEMs a carregar seus dispositivos com mais rapidez, ele criou vários problemas para o cliente. O maior deles é a incapacidade de carregar rapidamente um dispositivo se o adaptador/cabo de carregamento rápido apropriado não estiver disponível.

Portanto, se você comprasse um dispositivo one-plus, obteria um adaptador que suporta carregamento warp. Isso poderia carregar rapidamente seu dispositivo em questão de minutos, mas se você esquecesse seu adaptador, seu dispositivo carregaria a uma velocidade que daria vontade de arrancar os cabelos. Para resolver esse problema, temos fornecimento de energia USB.

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O fornecimento de energia USB é um protocolo para carregamento rápido desenvolvido pela USB-IF. Como este protocolo faz parte do padrão USB, ele não é proprietário e pode ser usado por qualquer fabricante OEM.

Tanto o adaptador de energia quanto o smartphone precisam estar em conformidade com as especificações de fornecimento de energia USB para aproveitar as vantagens do protocolo.

Abaixo está a quantidade de energia que pode ser fornecida usando diferentes variantes de USB PD.

Categoria USB Tensão Máxima (V) Corrente máxima(A) Potência (W) Ano de lançamento
USB PD 1.0 (conector Micro B) 20 3 60 2012
USB PD 1.0 (conector A/B padrão) 20 5 100 2012
USB PD 2.0 (conector Tipo C) 20 5 100 2014
Fonte de alimentação programável USB PD 3.0 (PPS) 20 5 100 2017
USB PD 3.1 48 5 240 2021

Para fornecer energia acima de 60 W, são necessários conjuntos de cabos marcados eletronicamente.

Como você pode ver, o padrão USB PD fornece potência de até 240W. Essa energia pode ser usada para carregar vários dispositivos a partir de um único adaptador de energia e pode até carregar laptops.

Devido à natureza não proprietária do USB PD, ele pode ser usado para carregar diferentes dispositivos. Esta abordagem facilita a vida do consumidor e ajuda a reduzir o lixo eletrónico, uma vez que as pessoas não têm de comprar novos carregadores quando compram novos dispositivos.

Além dos pontos mencionados acima, o fornecimento de energia USB pode ser usado em conjunto com o mecanismo de transferência de dados oferecido pela porta USB. Devido a isso, seu dispositivo pode ser carregado quando conectado a um monitor externo. Além disso, com USB PD é possível ter um fluxo de energia bidirecional. O que isto significa é que um dispositivo compatível com USB PD pode carregar outro dispositivo, se necessário.

Conforme mencionado anteriormente, o fornecimento de energia USB é um mecanismo de comunicação e nesta seção tentaremos entender como ele funciona.

Conforme mencionado anteriormente, o fornecimento de energia USB pode funcionar com conectores USB tipo A/B, mas veremos como esse protocolo é implementado em conectores USB tipo C.

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Antes de entendermos o fornecimento de energia USB, é importante observar um pino especial no conector tipo C, chamado de porta do canal de configuração, também conhecido como porta CC.

Esta porta é responsável por estabelecer comunicações entre o carregador e o dispositivo de carregamento permitindo um carregamento rápido

Uma breve visão geral do protocolo de entrega de energia é fornecida abaixo:

Identificação do dispositivo: Quando um dispositivo é conectado a um adaptador compatível com USB PD, o adaptador envia uma tensão de 5 V pela linha Vbus. Assim que o dispositivo estiver conectado, ele indicará as funções de energia nas quais estará trabalhando. Essas funções podem ser as seguintes

  • Poder de dupla função (DRP): O dispositivo de conexão é capaz de receber e transmitir energia.
  • Dados de dupla função (DRD): O dispositivo conectado pode receber e transmitir dados.

Início da comunicação: A comunicação entre o adaptador de energia e o dispositivo conectado começa pelo pino de comunicação. A visão geral da comunicação é a seguinte

  • O adaptador de energia envia detalhes sobre os diferentes tipos de tensões/correntes que pode fornecer
  • O dispositivo conectado seleciona um modo de energia específico com base em suas necessidades.

Transmissão de energia: O adaptador de energia transmite uma tensão específica na linha de energia com base no modo de energia selecionado.

Regulamento atual: O dispositivo conectado controla a quantidade de corrente com base no estado de carga da bateria.

Agora que sabemos como funciona o fornecimento de energia USB, podemos observar os diferentes níveis de potência que podem ser transmitidos usando o fornecimento de energia USB.

Se você observar os dados fornecidos nas seções anteriores, chegará à conclusão de que o USB PD aumenta a quantidade de tensão que é enviada ao dispositivo.

Este fornecimento de tensões mais altas não estava disponível nos padrões USB mais antigos, pois a porta foi projetada para transmissão de dados. Este aumento nos níveis de tensão permitiu que os dispositivos carregassem mais rapidamente.

Dito isto, diferentes dispositivos requerem diferentes níveis de energia e, por esse motivo, o protocolo de fornecimento de energia permite que o dispositivo selecione a quantidade de energia necessária.

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Abaixo estão os níveis de potência para USB PD 1.0

Modo de energia Tensão (V) Atual(A) Potência (W)
1 5 2 10
2 12 1,5 18
3 12 3 36
4 20 3 60
5 20 5 100

No caso do fornecimento de energia 1.0, temos diferentes modos de potência, mas os níveis de corrente e tensão são constantes para uma seleção específica. Devido a isso, há muita perda de energia no IC de gerenciamento de bateria, pois ele tem que converter as tensões/correntes com base em quanto a bateria está carregada.

Modo de energia Tensão (V) Atual(A) Potência (W)
1 5 0,1-3,0 10
2 9 1,67-3,0 15-27
3 15 1,8-3,0 27-45
4 20 2,25-3,0
ou
3,0-5,0
45-100

O USB PD 2.0 define diferentes níveis de energia e permite que o dispositivo de carregamento manipule a quantidade de corrente necessária com base no estado da bateria. Isso reduz a dissipação de energia durante o carregamento, mantendo o telefone mais frio.

Embora o USB PD 2.0 ofereça diferentes configurações de corrente, o nível de tensão no PD 2.0 ainda é constante. Para corrigir essa falha, o USB-IF criou um novo padrão USB PD 3.0 que suporta uma fonte de alimentação programável (PPS).

Este novo padrão permite que o dispositivo solicite tensões entre 3,3 V e 21 V em incrementos de 20 milivolts. Isso permite que o dispositivo controle a tensão e a corrente usadas para carregar a bateria. Devido a este controle granular sobre tensão e corrente, o dispositivo não aquece durante o carregamento rápido.

O padrão USB PD 3.0 oferece controle granular dos níveis de tensão, mas os 100 W de potência máxima podem ser menores para laptops de jogos exigentes. Para resolver esse problema foi lançado o USB 3.1 e suportava potência de até 240 W.

Modo de energia Tensão (V) Atual(A) Potência (W)
1 5 0,1-3,0 10
2 9 1,67-3,0 15-27
3 15 1,8-3,0 27-45
4 20 2,25-3,0
ou
3,0-5,0
45-100
5 28 5 140
6 36 5 180
7 48 5 240

O fórum de implementação USB quer mudar a forma como carregamos nossos eletrônicos. Suportando fornecimento de energia de até 240 watts, o padrão USB PD pode carregar qualquer dispositivo que você possua.

Depois que o USB PD for implementado por vários OEMs, os clientes não precisarão mais comprar adaptadores proprietários para carregar rapidamente seus dispositivos.

Para tornar o processo mais rápido, o Google afirma o seguinte em seu lançamento do CCD do Android 7.0: “Os dispositivos Tipo C são FORTEMENTE RECOMENDADOS para não suportar métodos de carregamento proprietários que modifiquem a tensão do Vbus além dos níveis padrão ou alterem as funções do coletor/fonte, pois tal pode resultar em interoperabilidade problemas com carregadores ou dispositivos que suportam os métodos padrão de fornecimento de energia USB. Embora isso seja considerado “FORTEMENTE RECOMENDADO”, em futuras versões do Android poderemos EXIGIR que todos os dispositivos tipo C suportem interoperabilidade total com carregadores tipo C padrão.

Olhando para esta declaração, vários OEMs como One plus e Qualcomm implementaram USB PD junto com suas tecnologias de carregamento proprietárias.

Um plus, por exemplo, oferece carregamento rápido de 65 W com o carregador Warp, mas também permite que os usuários carreguem rapidamente seus dispositivos em até 45 W se tiverem um carregador que suporte fornecimento de energia USB.

Então, se você olhar para isso, com o USB PD, o fórum de implementação do USB quer agilizar a forma como carregamos, para que não tenhamos que nos preocupar em carregar toneladas de carregadores toda vez que saímos de casa.

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