Сопротивление USB кабелей

Начнём с двух вопросов: что такое сопротивление USB-кабеля и зачем о нем беспокоиться?

Ответы на эти вопросы находятся рядом. С повсеместным внедрением кабелей Type C они стали использоваться не только для передачи данных, но и для зарядки. При этом допустимая передача электричества по кабелю выросла с ничтожных 5v 0.5A до серьезных 50V 5A. На таких напряжениях и токах уже становится заметным падение напряжения на проводах. То есть вместо 5V, которые отдаёт зарядка, на другой стороне кабеля можно получить 4V, которых будет недостаточно для работы потребителя. И умение заряжаемого устройства просить о повышении напряжения для компенсации потерь, не оправдывает дешевый китайский кабель из фольги, который стоит выбросить. Статистика неумолима: кабели, которые прикладывают к недорогим устройствам, зачастую имеют огромное сопротивление, расходуют энергию зарядки на обогревание воздуха и по-хорошему должны быть сразу переложены из упаковки продукта в мусорное ведро.

Если сопротивление кабелей так важны, то почему их измерение так поздно появилось в USB-тестерах? Дело в том, что штатное сопротивление кабелей составляет десятки или сотни миллиОм (или десятые-сотые доли Ома) и измерение этих величин сопоставимо с погрешностями в измерении, которые вносят разъемы и сами методы измерения. Для сравнения, резисторы, которые используются в стандарте Type C для определения контакта разъема - это килоОмы (56кОм, 5.1кОм), в миллион раз больше. Понятно, что падение напряжения на таком сопротивлении проще вычислить с большей точностью, чем падение на хорошем кабеле. Поэтому долгое время измерение сопротивления проводов было нишей дорогих профессиональных устройств.

Чтобы понять проблему измерения сопротивления кабелей я возьму хороший полуметровый Type C - Type C кабель и измерю его сопротивление. Оно равно 84 мОм. Добавлю переходник на USB A, измеряю и получаю 118 мОм. То есть переходник добавляет 34 мОм, это 40% от кабеля. Осознайте, что сопротивление полуторасантиметрового переходника составляет 40% от сопротивления полуметрового кабеля. Ок, это плохой переходник. Берем второй и измеряем с ним, получаем 94 мОм. Это уже лучше, переходник добавляет 10 мОм, это всего 12% от сопротивления кабеля. У углового переходника Type C - Type C сопротивление 16 мОм, а переходник Type C - Type C со встроенным ваттметром сопротивляется на 22 мОм. Уже понятно: на измерение существенно влияет то, каким образом кабель подключается. Угадать сопротивление покупаемого переходника не получился. Любой переходник добавляет погрешность, скажем больше: то, как Вы вставили кабель тоже влияет на результат (потому что площадь соприкосновения контактов на разъеме-папе и разъеме-маме будет отличаться). Поэтому методы измерения сопротивления пытаются минимизировать влияние способа подключения на результат. Дополнительно стоит учитывать сопротивление переходников в ситуациях использования тестера для измерения тех кабелей, для которых у него нет разъемов.

У тестера Witrn U3 есть три эталонных режима измерения сопротивления кабеля. Все способы об одном, о том, как измерить падение напряжения, ток цепи и поделить одно на другое. Вопрос только в том, сколько дополнительны приспособлений нужно для измерения.

Самый экономичный режим - это измерение сопротивления на внутреннем шунте тестера, для него нужен только тестер. Это самый неточный метод, но он не требует дополнительных аксессуаров, ему достаточно самого тестера. Испытуемый кабель присоединяется к двум разъемам тестера (A-C, C-C, A-micro) и тестер вычисляет падение напряжения и ток между своими разъемами. Это происходит максимально неточно из-за невозможности добавить в тестер хороший шунт (посмотрите на размеры сопротивлений для 4-проводного метода и станет понятно, что чудес не бывает, в корпус тестера такие резисторы не добавить).

Второй распространенный метод - это измерение падения напряжения с внешей нагрузкой. Подаём на тестер с присоединенной нагрузкой эталонное напряжение, выставляем ток, например 5V 2A, и сравниваем результаты присоединения тестера к зарядке напрямую и через кабель. Разница напряжения, деленная на ток покажет сопротивление кабеля, привет закону Ома. Тут всё хорошо, но нужно учитывать сопротивления коннекторов (которое сопоставимо с сопротивлением кабеля) и то, что напрямую тестер будет соединяться по USB A, а с нагрузкой через Type C. Метод падения напряжения хороший, является промежуточным по точности и требует наличия нагрузки (платы с большими резисторами и кулером для охлаждения). Если тестер не умеет работать в таком режиме, то его можно имитировать вручную с помощью листка бумаги и закона Ома. Для кабелей USB A - USB Micro-B это остается единственным способом, поскольку третий способ начал игнорировать разъем MicroUSB. Я использую нагрузку RuiDeng HD35, которая сейчас стоит порядка 1000 руб, она позволяет регулировать нагрузку до 35W, имеет входы USB A/MicroUSB/TypeC и умеет в триггеры на античные протоколы эпохи до Power Delivery. Несовременно, зато возможность выставить потребляемый ток крутилкой потенциометра - это очень удобно.

Выше на снимке приведено измерение поддельного под OnePlus кабеля. Первое измерение было сделано при втыкании тестера напрямую в павербанк. С другой стороны тестера нагрузка, потребляющая 3A (Обычно рекомендуется ставить 2A, но для кабеля от 1+, который должен держать 10A, ждешь большего). После нажатия на кнопку прямое соединение фиксирует замер под названием Last в нижнем левом углу. Для второго измерения мы соединяем кабель с павербанком и тестером, результат измерений показывается в окошке Now вместе с вычисленным сопротивлением наверху. Видим падение напряжения до 4.26V, то есть через такой кабель пропускать даже 3A плохо. Заодно проверим вычисление: (4.9746 V - 4.2605 V)/3.0217 A=0.236 Ohm.

Самый точный метод измерения сопротивления называется четырехпроводной метод измерения имени Кельвина (лорда). В нём нет никакой магии, он просто разносит измерение напряжения и измерение тока по разным проводам (отсюда и название, четыре линии - это две на ток и две на напряжение). На измерение тока сопротивления щупов не влияют, а для измерения напряжения используется малый ток, при котором падение на щупах несущественно. Популярный и доступный (другие подобные устройства стоят как крыло от Боинга за счет свидетельства о поверке за подписью текущего лорда Кельвина) измеритель сопротивления для элементов питания YR-1035++ в максимальной комплектации содержит аж три варианта подключения устройства к измеряемому объекту (и если решите купить устройство, то советую приобрести максимальную комплектацию). Хорошее описание метода Кельвина можно найти тут, на том же сайте есть умные вопросы про измерения сопротивления, ответы на которые помогут понять, почему в комплекте для измерения есть еще и адаптер для подключения к питанию.

Последние пару лет метод Кельвина прижился у производителей USB тестеров, более того, как минимум пара производителей Witrn (U3, K2) и Ryken (X3, C1) выпустила совместимые дополнительные комплекты, с помощью которых их тестеры могут измерять сопротивления кабелей. Комплекты взаимозаменяемы, могут использоваться с любым тестером и это хорошо, потому что могут стать более-менее стандартом для измерителей.

Комплект состоит из платы с резисторами и адаптера для питания. Плата с резисторами имеет разъем Type C (папа) для подключения к тестеру, собственно пары огромных резисторов в керамике (цементе) и набора разъемов для тестируемых кабелей.

У всех производителей есть возможность измерять кабели TypeC - TypeC и USB A - TypeC, а у Witrn в старой модели также был разъем micro USB. Для замыкания цепи у разных моделей были разные варианты: от безусловного замыкания до отдельной замыкающей кнопки, причем она может быть как с фиксацией, так и без неё. То есть подаваемый ток либо сразу подавался, либо нужно было включить кнопку, либо держать её включенной. Варианты с кнопкой предпочтительнее, поскольку резисторы для измерения тока греются и для стабильного результата желательно их не перегревать, потому что от изменения температуры меняется сопротивление и вычисленный ток.

Интерфейс модуля измерения с тестером содержит 4 линии Type-C разъема: VBUS, GND, D+, D-. На VBUS подаётся напряжение 5V, модуль берет примерно 2А и на паре VBUS-GND можно измерить потребляемый ток и установившееся напряжение. То есть VBUS-GND - это измерители тока. А что с напряжением на измеряемом кабеле?

Для передачи напряжения используются линии D+/D-. Обратите внимание, что линии используются для передачи аналоговой информации, а не цифры. Подобным образом эти линии использовались во времена USB 2.0 для согласования протоколов "быстрой" зарядки. В нашем случае всё просто: падение напряжения на тестируемом кабеле равно разности напряжений на D+ и D- : V_cable = V_DP - V_DM. Например, на экране Ryken X3 мы видим следующие измерения:

R_cable = (0.185-0.025)/1.9560 = 0.0818 Ом

Это совпадает с показанным на том же экране сопротивлением 82 мОм. Понятно, что о четырех значащих цифрах нет смысла говорить, но в остальном смысл измерения понятен. И понятно, почему модули взаимозаменяемы: у них очень простой и повторяемый интерфейс. Например, я вообще не вижу технических проблем повторить это вычисление вручную по информации на экране KM003C. Думаю, что там проблемы с реализацией измерения сопротивлений лежат больше в области коммерческой.

Но в таком подходе есть проблема: напряжение на D+/D- может "портить" умная зарядка, поскольку она, особенно для протоколов на USB A, могла использовать эти линии для обнаружения потребностей заряжаемого устройства. В протоколах до Type-C устройства могли коротить D+/D-, вешать между ними сопротивления и подтягивать эти линии и к GND и к VBUS. Поэтому в комплекте для измерения сопротивления идёт адаптер для питания тестера, который отрывает линии D+/D- от источника. Для измерения сопротивления кабеля тестер должен запитываться через такой адаптер. Если он запитывается напрямую, то на напряжение на этих линиях будет влиять зарядка, которая может изменять напряжение подтяжкой к питанию или земле. То, ради чего мы разделяли измерение тока и напряжения может быть испорчено со стороны питания. Желающие могут проверить, подсоединить тестер к питанию через обычный переходник USB A - Type C и сравнить результаты. Обычно в такой конфигурации значения напряжений на D+и D- бывают искажены, причём размер искажений непредсказуем.

Ранние адаптеры для зарядки были простейшими, два входа от зарядки: USB A папа и Type C папа. И два выхода: USB A мама и Type C мама. Вход адаптера подключется к зарядному устройству, а выход к тестеру. На выходе тестера располагается модуль, в который воткнут двумя концами тестируемый кабель. Тестер подаёт на модуль 5V 2A, получает данные от модуля и вычисляет сопротивление кабеля. Адаптер разрывал линии D+/D- и зарядка не влияла на результат.

Новые адаптеры для зарядки получили блок микропереключателей, которые позволяют опционально включать и выключать линии D+, D-, CC1, CC2. Нормальное состояние блока - все выключатели в OFF. Вряд ли кому-то будет полезно оставить D+ и выключить D-, поэтому отдельные выключатели скорее избыточны, но включение D+/D- позволяет использовать адаптер как переходник на USB A с линими данных. Выключение CC1/CC2 полезно в тех случаях, когда нужно продолжить питать тестер, но избавиться от зарядки в роли source, например, в случае чтения тестером маркера.

Новый пятый разъем немного путает, поэтому перечислим функции разъемов

1. USB A (папа). Стандартный вход, подключается к питанию
2. Type C (папа). Стандартный вход от питания. Разъемы 1 и 2 запараллелены по VBUS, GND, D+, D-
3. USB A (мама). Стандартный выход на тестер.
4. Type C (мама). Стандартный выход на тестер. Запараллелен с разъемом 3. Между парами 1-2 и 3-4 как раз и работают первые четыре свитча, разрывающие D+, D-, CC1, CC2. Разрыв CC1 и CC2 имеет смысл только для Type C
5. Type C (папа). В этом разъеме подключены только линии VBUS и GND, нет никаких D+ и D-. А вот линии CC1 и CC2 безусловно притягиваются к земле через резистор 5.1 кОм. Это имитирует наличие на кабеле (которая выходит из этого разъема потребителя (sink). Пятый переключатель включает такой же pulldown на CC1 разъема 2 (на 4 разъеме такого поведения нет).

Как можно использовать пятый разъем? По-разному. Вот несколько вариантов:

1. Вход, от которого можно запитывать 3-4 разъемы от питания Type C без адаптера на USB A. Без адаптера, но с кабелем. Положение 5 переключателя без разницы. На 4 разъеме получим только VBUS и GND, остальные линии будут оторваны.
2. Включение 5 переключателя позволяет запитывать от 2 разъема без адаптера. Явно 5 разъем не используется, он остаётся свободным, но используются его pulldown резисторы. В этом случае на шине питания появится фиктивный молчаливый приёмник, который позволит питанию выдать 5V.
3. Также 5 разъем может использоваться как исходящий для создания шины, которая отвязана от питания, но уже имеет молчаливый приёмник. Как говорилось выше, это максимально совместимая конструкция для извлечения маркера.

Все эти варианты позволяют конструировать нестандартные конфигурации шины для power delivery, разнося шину данных и шину питания с эмуляцией sink. Напомню, что управляемый pull-down присутствует между разъемами 2 и 5, а включать-выключать CC1/CC2 можно только между разъемами 2 и 4.

Вернемся к измерению сопротивления. Единственное число, которое вычисляется так, как мы показали - это сопротивление. Дальше - сервисы в тестере, которые по введенной длине кабеля оценивает его качество, показывая оценку, грейд или раскрашивая значение в разные цвета в зависимости от адекватности сопротивления для заданной длины кабеля.

Попутно зададим вопрос: а какой кабель считается годным? Стандарт USB даёт обтекаемый ответ: падение на линии VBUS кабеля (включая разъемы) должно быть не больше 500mV, а на линии GND 250mV. Если у нас по кабелю идет ток 5A (100-ваттный кабель с маркером), то сопротивление должно быть не больше 0.5/5 = 100 мОм. Вряд ли вы найдете такие двухметровые кабели, так что лучше найти свои критерии для кабелей разной длины. Практичный критерий: найти такое сопротивление, чтобы выкинуть не больше 25-33% от имеющихся кабелей, то есть вычислить 66-75 персентиль.

Подытожим. Индустрия бытовых USB-тестеров уже освоила выпуск бюджетного (я купил тестер Ryken C1 как нагрузку к модулю нагрузки) комплекта для довольно точного измерения сопротивления кабелей четырехпроводным методом Кельвина. Комплекты совместимы и могут быть использованы и с моделями от Ryken и с моделями от Witrn (список совместимых тестеров будет расширяться). Покупка комплекта поможет в сортировке кабелей и пониманию того, какие из них могут быть сразу выкинуты. Надеюсь, что текст помог разобраться с теми возможностями, которые сейчас есть у usb-тестеров в плане оценки качества кабелей.