Einführung

Die auf dem Voyager M3i verfügbare Power Tracker-Option ermöglicht dem Benutzer die dynamische Überwachung der VBUS-Spannung, des Stroms und der Leistung, während der Bus in Betrieb ist. Noch wichtiger ist, dass diese Informationen mit der Busaktivität synchronisiert werden und somit mit bestimmten Busereignissen korreliert werden können. Entwickler können den tatsächlichen VBUS-Energieverbrauch genau überwachen, wenn Geräte in den Energiesparmodus wechseln oder diesen verlassen. Power Tracker kann auch verwendet werden, um Änderungen des Bus-Stromverbrauchs vor und nach der Konfiguration zu überprüfen und den Stromverbrauch von Geräten zu überwachen, die den VBUS zum Laden der Batterie verwenden.

Der Power Tracker ist eine optionale Funktion des Voyager M3i-Systems von Teledyne LeCroy und funktioniert sowohl für USB 2.0 als auch 3.0. Power Tracker überwacht Spannung und Strom kontinuierlich und speichert diese und fügt jedem Paket eine Zelle hinzu, um den Durchschnitt dieser Werte während jeder Paketübertragung anzuzeigen.

Abbildung 1:

VBUS-Leistungsmessung, die als Teil jedes Busereignisses angezeigt wird

Außerdem ist ein detaillierterer Graph der VBUS-Aktivität in einem Histogrammformat vom Leistungstracker verfügbar Symbol. Power Tracker muss vor der Aufzeichnung der USB-Aktivität auf der Registerkarte „Aufzeichnungsoptionen“ aktiviert werden.

Anwendungsbeispiel

USB-Entwickler kennen im Allgemeinen die minimalen und maximalen VBUS-Werte, die normalerweise mit einem digitalen Voltmeter gemessen werden können. Wenn sich der Entwickler jedoch der Konformität nähert, wird es wichtig, zusätzliche Faktoren wie den Einschaltstrom zu verstehen. Die Power Tracker-Option wurde entwickelt, um USB-Konformitätstest-Setups zu ergänzen. Es kann einen frühen Einblick in die elektrische Konformität liefern, obwohl es nicht dafür ausgelegt ist, InRush-Strom/-Spannung nach einem für die Konformität erforderlichen Standard zu messen. Es wird für einige Validierungsaufgaben als wesentlich erachtet, wie z. B. das Messen der Stromaufnahme während des „Suspend“-Zustandsübergangs, da die Leistungsanalyse automatisch mit den Protokollereignissen synchronisiert wird.

Die Abbildung zeigt den Einschaltstrom eines Geräts mit einem Spitzenwert von 1.3 A. Dies liegt deutlich über dem zulässigen Wert, liegt jedoch knapp unter dem Schwellenwert, der normalerweise dazu führen würde, dass die meisten Root-Ports einen Überstromzustand registrieren. Dieser Zustand würde darauf hinweisen, dass das Gerät möglicherweise weitere Untersuchungen mit Tools wie einem Oszilloskop erfordert, um festzustellen, warum es so hoch war. Wir können auch etwas weiter in der Grafik sehen, dass das Gerät regelmäßig etwa 1 A Strom benötigt, was das Doppelte des in der USB2-Spezifikation definierten Maximums ist. Unter der Annahme, dass dieses Design die USB IF-Zertifizierung bestanden hat, ist es möglich, dass eine oder mehrere Komponenten im Inneren des Geräts diesen Zustand verursachen.

Abbildung 2:

Einschaltstrommessung

Ein ähnliches Problem kann auch auftreten, wenn physische Geräte (normalerweise ein Motor) anlaufen. Der durchschnittliche Betriebszustand des Geräts kann innerhalb des Budgets von 500 mA liegen. Die Anfangsleistung, die benötigt wird, um hochzufahren oder einen Betriebszustand zu erreichen, kann jedoch um ein Vielfaches größer sein. Abbildung 3: „Physical Disk Spin-up“ zeigt ein Massenspeichergerät mit Busstromversorgung, das ein 2.5-Zoll-Laufwerk enthält. Das USB-Subsystem funktioniert perfekt, bis das Laufwerk zum Hochfahren aufgefordert wird. Dies erfordert >800mA und bewirkt, dass der VBUS abfällt, was wiederum dazu führt, dass der Antrieb blockiert. Die Stromversorgung wird wiederhergestellt und es wird mehrere Male erneut versucht. Der Strombedarf dieses Geräts übersteigt bei weitem die Fähigkeit des USB-Hostanschlusses, die erforderliche Leistung bereitzustellen.

Abbildung 3:

Hochfahren der physischen Festplatte

Wenn ein USB-Gerät seine Gerätedeskriptoren zurückgibt, teilt es dem Host seine Leistungsaufnahme während des normalen Betriebs mit. Theoretisch verwendet der Host dies, um festzustellen, ob er den Strombedarf des Geräts decken kann, und aktiviert/deaktiviert es entsprechend. Niemand möchte beim Speichern einer wichtigen Datei einen Netzteilüberstrom erleben, daher ist es wichtig, übermäßige Stromanforderungen zu vermeiden. Einige Designs sind jedoch nicht ganz genau in Bezug auf die Strommenge, die sie ziehen, und verlassen sich gelegentlich auf die Idee, dass ein Root-Port mehr Strom liefern kann als die in der USB 500-Spezifikation definierten maximal 2.0 mA oder die für SuperSpeed-Geräte definierten 900 mA. Typischerweise basiert dies bei 2.0-Host-Ports auf der Annahme, dass ein Root-Port-Paar jeweils 500 mA zulässt, jedoch können gestapelte USB-Buchsen der Einfachheit halber die VBUS-Quelle teilen, sodass die Auslösung für das Paar etwas über 1 A eingestellt wurde. Es ist nicht ungewöhnlich, dass ein Gerät mit einem physisch rotierenden Subsystem mehr als 500 mA benötigt, um das Subsystem hochzufahren, aber sobald es läuft, sinkt die Anforderung auf 500 mA oder weniger. Solche Geräte werden oft mit einem Tandemkabel (nicht konform) geliefert, um den Strom von zwei Host-Ports abzugreifen, um dem Gerät eine höhere Leistung zuzuführen.

Abbildung 4:

Die Leistungsanforderung des Geräts stimmt nicht mit der gezogenen Leistung überein

Seit den Anfängen von USB sind Funktionen in die Spezifikation eingebaut, die darauf ausgelegt sind, Strom zu sparen, indem unter bestimmten Bedingungen eine reduzierte Stromaufnahme ermöglicht wird. Mit der Einführung von USB 3.0 müssen SuperSpeed-Geräte die folgenden Niedrigenergiezustände unterstützen, wobei jeder Zustand den Stromverbrauch schrittweise senkt und gleichzeitig die zulässige Austrittslatenz erhöht.

Tabelle 1:

Logische Verbindungszustände für SuperSpeed-USB-Geräte

Sobald der Host LGO_U1 ausgibt, soll das Gerät in den Energiesparzustand wechseln. Während der Host weiterhin volle 5 V an vbus liefert, ist es hilfreich, die tatsächliche Leistungsaufnahme anzuzeigen, um die tatsächlichen Stromeinsparungen zu überprüfen. Die Spezifikation legt strenge zeitliche Begrenzungen fest, wie schnell das Gerät nach U1.Exit zur Wiederherstellung zurückkehren sollte. In der Abbildung unten ist die Power Tracker-Überwachung mit der Trace-Anzeige synchronisiert, sodass Benutzer die Energiemenge überprüfen und messen können, die bei jedem Übergang des Energieverwaltungszustands eingespart wird.

Abbildung 5:

SuperSpeed-Gerät betritt U1

Während für SuperSpeed-Geräte die Unterstützung von Niedrigenergiezuständen erforderlich ist, bleibt es dem Gerätehersteller überlassen, welche Schritte die Geräte tatsächlich implementieren, um ihre Leistungsaufnahme zu senken. Bei busbetriebenen Geräten wurde beobachtet, dass xHCI-Ports (Hosts) den vollen 5-V-Bereich liefern, selbst wenn sich die Geräte im Energiesparmodus befinden. Gut konzipierte Geräte senken ihre Stromaufnahme beim Eintritt in den Energiesparmodus, wie in Abbildung 5 gezeigt.

Da die Zahl der Flash-Speichergeräte in den letzten Jahren explodiert ist, sind exponentiell mehr Tests bei den busbetriebenen Implementierungen erforderlich. In einem Fall würde das folgende Flash-Gerät während der Aufzählung wiederholt den Link „fallen lassen“. Das Problem trat unmittelbar nach der Transaktion SET CONFIGURATION auf, bei der dem Gerät Energieattribute zugewiesen wurden. Der Gerätehersteller behauptete, dass das Gerät nach dem SET CONFIGURATION nicht genügend VBUS-Leistung erhielt.

Abbildung 6:

Power Tracker-Messungen während der Enumeration

Die Power Tracker-Anzeige oben zeigt, dass die Spannung über VBUS genau an dem Punkt, an dem das DUT die Verbindung trennt, konstant bei 4.8 V lag, was bestätigt, dass der xHCI-Port ausreichend Strom über VBUS lieferte.

Batterieladung über VBUS

Einige USB-Systeme werden auch gebeten, Strom zum Laden von Mobilgeräten bereitzustellen. Power Tracker kann verwendet werden, um die Stromversorgung einer Reihe von Geräten, die an einen USB-Port angeschlossen sind, zu überwachen und zu überprüfen. Viele Laptop-Anschlüsse können jetzt Batterieladespezifikation v1.2-Ampere für wiederaufladbare Geräte liefern. Der Power Tracker kann diesen zusätzlichen Strom anzeigen.

Einige USB-Systeme werden auch gebeten, Strom zum Laden von Mobilgeräten bereitzustellen. Power Tracker kann verwendet werden, um die Stromversorgung einer Reihe von Geräten, die an einen USB-Port angeschlossen sind, zu überwachen und zu überprüfen. Die Menge des entnommenen Stroms kann vom anfänglichen Entladungszustand des Geräts abhängen. Das Bild unten zeigt die Leistungsaufnahme eines Geräts mit entladenem Akku und des gleichen Geräts mit nahezu vollem Akku.

Es ist möglich, dass ein batteriebetriebenes Gerät so weit entladen wird, dass es mehr Strom benötigt, als es sollte. Dies kann Auswirkungen auf den Host haben, der dazu führen kann, dass die lokale Stromversorgung vorübergehend bis zu einem Punkt heruntergefahren wird, an dem die USB-Uhr beeinträchtigt wird, was dazu führt, dass er eine verspätete Antwort sendet. Das Verständnis dieser Art von Problem ist sehr schwierig zu debuggen, wenn die VBUS-Leistungsüberwachung nicht mit der Ablaufverfolgung synchronisiert ist.

Abbildung 7:

Das VBUS-Laden verzögert die ACK-Antwort

Abbildung 8:

Periodischer übermäßiger Stromverbrauch

Das Aufkommen von USB als universelle Verbindung zur Übertragung von Strom und Daten hat den Stromverbrauch von VBUS in tragbaren Systemen in ein neues Licht gerückt. Entwickler von Laptops, Netbooks, Smartphones und Tablets untersuchen jetzt jeden Ampere Stromverbrauch auf Systemebene in ihrem Laufwerk für eine bessere Energieeffizienz. USB-Validierungstools wie das Teledyne LeCroy Voyager M3i-System mit seiner integrierten Power Tracker-Funktion können dabei helfen. Durch die Kombination von Spannungsmesserfunktionen mit Protokollanalysatorfunktionen hilft der Power Tracker Benutzern, die tatsächliche VBUS-Leistungsaufnahme mit Zustandsänderungen der Protokollschicht zu korrelieren. Da USB seine Reichweite auf neue Anwendungsbereiche ausdehnt, wird Teledyne LeCroy weiterhin erstklassige Funktionen bereitstellen, die es Entwicklern ermöglichen, innovative USB-Produkte bereitzustellen.