Ça m’agace toujours de devoir insérer un convertisseur DC/DC après un pack batterie (PowerPack) ou un chargeur rapide. Quand on connecte une prise USB, ils sortent du 5 volt alors qu’on voit sur la doc ou sur le boîtier qu’ils sont capables de sortir plein d’autres tensions… Du coup j’ai cherché des infos sur la façon dont un appareil demande de lui fournir plus que 5 volts. C’est un peu la jungle apparemment, mais ça a abouti à la découverte de ces produits que je vous présente ici.

Fixer la tension de sortie Vout d’un chargeur ou d’un Powerpack  QC ou PD

Le principe des chargeurs ou powerpack QC PD et autres

Ce type de matériel, destiné à charger ou alimenter des smartphones, tablettes et autres ordinateurs portables utilise un protocole particulier. C’est quoi un protocole ? Pour utiliser une analogie simple, c’est comme une espèce de langage qui permet aux appareils connectés à chaque bout du fil de communiquer.
Dans un téléphone/une tablette/ un ordinateur portable, il y a  des circuits intégrés de gestion de l’énergie. Lorsque l’utilisateur connecte l’appareil au chargeur ou au powerpack avec le câble de données, les deux appareils « négocient » et se coordonnent pour déterminer la tension et le courant les plus appropriés, et la charge rapide n’est activée qu’après qu’ils se soient mis d’accord.

Les protocoles propriétaires de charge rapide

Ce sont les protocoles qui font que les différents systèmes de charge rapide ne sont pas totalement compatibles entre eux, la plupart des téléphones n’acceptant de négocier qu’avec les chargeurs de même marque, pour fournir la vitesse de charge la plus rapide. Ce sont des protocoles privés ou « propriétaires ».

Par exemple le protocole de charge rapide de Huawei existe en FCP (Fast Charge Protocol) et SCP (Super Charge Protocol). Le premier commence à dater, il fournit une charge rapide sous une tension élévée. Plus récent, le SCP gère jusque 40W mais n’est pris en charge que par les appareils Huawei.

La charge rapide de Xiaomi (ci-dessus) est spéciale, car elle utilise un protocole PD spécial et ajoute des contacts CC, ce qui la rend compatible avec la charge rapide PD, nécessite un câble de charge et un connecteur spéciaux. De fait la charge rapide de Xiaomi est également uniquement utilisable avec les appareils de la marque

Tous ces protocoles propriétaires sont incompatibles entre eux, ce qui oblige les consommateurs à faire très attention lorsqu’ils achètent des chargeurs. Pour le grand public on a besoin d’une norme commune de charge rapide, et c’est là qu’intervient le « protocole public« .

La plupart des fabricants qui commercialisent aujourd’hui des protocoles privés assurent également la compatibilité avec certains protocoles publics, ce qui permet d’utiliser le même chargeur avec différentes marques.

Les protocoles publics de charge rapide

Il existe aujourd’hui plusieurs protocoles publics sur le marché, les plus courants étant le système Quick Charge de Qualcomm, Pump Express de MediaTek et PD Fast Charging.

Cependant, avant ces protocoles de charge rapide, il existe également un protocole public de base appelé BC 1.2 (Battery Charge 1.2). Selon le mode du port de charge dédié (DCP), ce protocole peut fournir jusqu’à 7,5W (5V/1,5A) de puissance de charge. Pour les batteries actuelles d’une capacité supérieure à 4000mAh, cette vitesse n’est plus suffisante.

La charge rapide QC de Qualcomm est la plus commune. C’est un système de charge rapide à haute tension. Il a été lancé pour la première fois en 2013, avec une puissance de 10W (5V/2A). Avec QC 3.0, la puissance a été portée à 36W, et elle prend en charge la régulation de la tension par paliers de 200mV, libérant le système des tensions et courants fixes.

Qualcomm appelle cela la régulation intelligente de la tension optimale (INOV). Le QC 4 prend en charge la régulation de la tension par paliers jusqu’à 20mV et le réglage du courant à 50mA. En même temps, la prise en charge de l’USB PD+PPS est ajoutée. Le QC 4+ est principalement rétrocompatible avec les anciens QC 2.0 et QC 3.0, et certaines fonctions de sécurité ont également été ajoutées.

En plus de Qualcomm, le fabricant de processeurs MediaTek a également introduit un protocole de charge rapide appelé « Pump Express », ou MTK PE en abrégé. À l’heure actuelle, peu de fabricants l’utilisent, à l’exception de Meizu. Au début, comme Qualcomm QC, il s’agissait d’une sorte de charge rapide à haute tension. Depuis PE 3.0, la charge rapide à basse tension a été adoptée, et elle a également intégré la norme USB PD 3.0 PPS. À l’heure actuelle, le protocole de charge rapide a évolué vers la norme PE 4.0, et le courant peut atteindre jusqu’à 5A.

En tant que créateur de la norme USB, l’USB-IF (USB Developer Forum) ne pouvait, bien sûr, pas rester les bras croisés. Il espère introduire un protocole de charge rapide qui prenne en charge un plus grand nombre d’appareils. Il s’agit de la charge rapide PD (USB Power Delivery). S’appuyant sur la ligne CC de l’interface Type-C, il peut être compatible avec les téléphones mobiles, les tablettes et les ordinateurs portables. La puissance maximale actuelle peut atteindre 100W.
La charge rapide PD est actuellement le protocole de charge le plus répandu. Depuis la popularisation de l’USB-C et la forte promotion faite par Google, de plus en plus de téléphones mobiles, de tablettes et d’ordinateurs portables commercialisés sont compatibles avec ce protocole.

On peut dire que le type universel (basique) est le plus répandu actuellement. Aujourd’hui, il existe l’USB PD 2.0, l’USB PD 3.0, l’USB PD 3.0 (PPS), les deux premiers appartiennent à la charge rapide à haute tension, et le PPS  appartient à une branche de la PD 3.0, qui est appelée alimentation programmable. Il intègre les protocoles de charge rapide Qualcomm QC, MTK PE, FCP, VOOC et autres, et prend en charge les ajustements par paliers de 20mV et 50mA, et l’ajustement du courant est plus précis… C’est pas simple 🙂

La recharge PD semble rallier pas mal de fabricants, cela signifie-t-il que nous pouvons acheter un câble de recharge qui prend en charge le protocole PD pour pouvoir charger rapidement diverses marques à l’avenir ? De toute évidence, non. À l’heure actuelle, les fabricants de téléphones mobiles qui prennent en charge la recharge rapide PD ou QC, ne prennent en charge que des protocoles de plus bas niveau.

En outre, de nombreuses technologies privées de protocole de charge rapide sont désormais en avance sur les systèmes publics. Si vous voulez profiter de la charge rapide « la plus rapide », vous devez utiliser le protocole privé de votre fabricant. En tout cas, l’idée d’utiliser un seul chargeur rapide pour tous les appareils est pour le moment difficile à réaliser. Chaque fabricant défend ses intérêts…

Le powerpack Zendure

C’est le powerpack que j’utilise souvent pour mes tests. Des alimentations ? Oui il y en a mais…

Si vous voulez tout savoir, voilà ce qui se passe derrière mes écrans… pour connecter une alim… faut en débrancher une autre (et parfois c’est pas la bonne et… oups !). Alors j’utilise souvent ce powerpack 100 watts que je vous avais décrit précédemment (fin 2020). Il supporte la charge rapide (dans les deux sens) et un écran OLED renseigne sur l’état des entrées/sorties.

Sauf que… quand je connecte un appareil compatible QC il fait le nécessaire, mais pour mes applis plus « bricolo » il s’obstine à me fournir du 5 volts sur la sortie USB. Quand je vous dis que ça m’agace. Et pourtant, le bougre, il peut faire mieux et plus, la preuve !

C’est cette longue liste de tensions et courants qui m’a fait chercher une solution. Je m’explique.

Un robot alimenté en 12 volts

Imagine (en fait c’est un projet réel), mais imagine quand même. Tu dois alimenter un robot en 12 volts. Le powerpack contient une batterie qu’on charge avec un chargeur intégré. Première conversion, puisqu’on passe du 5volts de l’USB (si on n’est pas en QC ou en PD) à la tension de batterie. ici on a 4 batteries 18650 soit 4×4,2= 16,8 volts en fin de charge.
Pour sortir du 5 volts sur le port USB de sortie, il y a ensuite un deuxième convertisseur qui ramène la tension de batterie à 5 volts.
Maintenant tu connecte un convertisseur DC/DC sur la sortie 5 volts pour remonter la tension à 12 volts, pour alimenter le robot ! Et je ne parle même pas de ce qu’il y a dans le robot 😀

Or à chaque conversion on n’a pas un rendement de 100% (entre 80 et 90% ?) donc on perd de l’énergie, sous forme de chaleur. La batterie n’a pas non plus un rendement de 100%…

C’est là que je me suis intéressé aux protocoles qui permettent à mon powerpack de sortir autre chose que du 5 volts sur le port USB-C.

Au passage si tu n’as jamais vu un port USB-C en voici un (que j’ai un peu malmené) qui laisse voir ses contacts, soit 2 fois 12 contacts, une rangée au dessus et une au dessous.

Eh oui il y a 24 contacts dans une prise USB-C… On n’arrête pas le progrès.

Un Détecteur de charge rapide

C’est sous ce nom qu’on trouve les circuits dont je vais vous parler.

Sur ce schéma vous voyez la différence avec le précédent : Le powerpack (ou le chargeur) sort directement du 12 volts. On a éliminé la nécessité de rajouter un convertisseur DC/DC entre le port USB de sortie du powerpack et le robot.

C’est grâce au « Détecteur de charge rapide » que j’ai appelé sur le schéma « Configurateur de charge rapide« . Son boulot ? Dialoguer avec le circuit de gestion de l’énergie du powerpack (ou du chargeur) pour lui demander avec le protocole adéquat, de sortir la tension qu’on a programmée… Et ça fonctionne puisque le powerpack sort ici directement du 12 volts !

Les modèles trouvés

Détecteur de charge rapide PDC005

Le constructeur donne ces informations :

Le PDC005 utilise une prise USB-C et supporte un travail continu à une puissance de 100W. Il supporte un fonctionnement continu à courant élevé sous 20V/5A

La version USB master utilise une embase USB femelle 5A de haute qualité pour supporter un fonctionnement à courant élevé 5A.

Le PDC005 existe en deux modèles, qui sortent respectivement

• 9V/12V
• 15V/20V

La tension de chaque modèle est commutée par un interrupteur à bascule

Tests du PD005

Aucun souci avec ce modèle. La tension est au rendez-vous, la LED verte indique la présence du 9v et la LED bleue indique le 12v. Attention, ce n’est qu’une indication ! Il vous appartient de vérifier avec un voltmètre la tension de sortie réelle sur les pastilles de sortie.

Je n’ai pas fait de tests avec une « grosse » consommation, mais pour des utilisations classiques de quelques dizaines/centaines de mA c’est impeccable.

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Détecteur de charge rapide WeAct Studio

Ce modèle possède 3 Dip switch (mini interrupteurs) qui permettent de programmer la tension que la carte va demander au chargeur/powerpack de fournir.

Cette carte m’a l’air plus intéressante car avec une seule carte, on peut obtenir au choix : 5v, 9v, 12v, 15v et 20v.

Les tests du modèle WeAct Studio

Là encore, le comportement est conforme aux attentes et les tensions obtenues sont bonnes. Attention il vous appartient de vérifier avec un voltmètre la tension de sortie réelle sur les pastilles de sortie.

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L’alimentation ajustable USB

J’utilise aussi cette alimentation qui se connecte sur un port USB. Ça fonctionne bien sur le Raspberry Pi quand on a besoin de faire des tests ou d’alimenter un module/composant sous une tension particulière. Ici on entre du 5v venant du Raspberry Pi et on peut sortir une tension comprise entre 1,2v et 24v.

Ici je vais m’en servir pour alimenter un moteur en 12 volts via un module L298. La tension de sortie est de 12,2 volts. Le module n’est pas encore connecté, le courant consommé est nul (000).

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Conclusion

J’espère que ces quelques modules pourront vous aider. Ils permettent de réduire le nombre de conversions de tension, améliorent le rendement de vos montages et mettent à disposition les tensions de sorties de chargeurs rapides ou des powerpacks.

Si vous les utilisez, n’hésitez pas à en parler dans les commentaires ci dessous, de même si vous connaissez d’autres modèles, ils seront les bienvenus dans cette page.

Sources

• https://fr.aliexpress.com/item/1005003251671803.html
• https://fr.aliexpress.com/item/4000525077957.html
• https://fr.aliexpress.com/item/33043827049.html

Understanding the Common Fast Charging Protocols