Wie funktioniert das Aufladen via USB und was ist der „Power Delivery“ Standard?

In einigen Berichten der letzten Zeit habe ich viel über den USB Power Delivery Standard gesprochen, aber ich denke vielen Nutzer ist noch gar nicht so recht klar was genau Power Delivery ist und was es kann.

Daher hier ein kleiner Bericht welcher etwas Licht in die ganze Geschichte bringen soll und hoffentlich dabei hilft zu verstehen war USB power Delivery ist und wie es funktioniert.

Aufladen via USB

Das Aufladen von diversen Geräten über USB ist ja heutzutage gang und gäbe. Jedoch ist das Aufladen via USB an sich eine etwas „komplizierte“ Geschichte.

Das Problem hierbei ist, dass der USB Port eigentlich gar nicht als Energiequelle in dem Ausmaß vorgesehen war wie er heutzutage genutzt wird.

Ein USB 2.0 Port muss laut USB Spezifikation lediglich 0,5A bzw. 2,5W Leistung besitzen. Dies reicht für Tastaturen, Mäuse usw. völlig aus, jedoch das Laden eines Smartphones mit 0,5A ist sehr langsam.

Auch USB 3.0 ist hier nicht besser mit 0,9A bzw. 4,5W.

Dies ist wie gesagt das Minimum was ein USB Port als Leistung liefern MUSS! Hier war es natürlich kein Problem für Smartphone Hersteller einfach Ladegeräte zu bauen, welche mehr Leistung liefern.

Aktuell ist das gängige Maximum an Leistung 2,4A bzw. 12W für einen USB Port.

Das Problem ist aber die Kommunikation, woher weiß das Smartphone ob es an einem USB Port angeschlossen ist welcher 0,5A oder 2,4A liefern kann? Man könnte hier jetzt denken, dass diese Kommunikation automatisch passiert, aber das ist nicht der Fall.

Hier darf man nicht den Grundsatz vergessen, nicht das Ladegerät entscheidet wie viel Strom ein Smartphone aufnimmt, dies entscheidet ganz alleine die Ladeelektronik des Smartphones!

Wenn Ihr also Smartphone XYZ an Eurem PC anschließt und dieser USB Port nur 0,5A liefern kann aber das Smartphone so zu sagen 2A „anfragt“ kann es zu Problemen kommen. Wenn der USB Port nicht geschützt ist, mit einer Überstromsicherung, kann im schlimmsten Fall der Port kaputt gehen oder sogar der ganze PC.

Um dies zu verhindern haben Smartphones mehrere „Stufen“. Erkennt ein Smartphone, dass dieses mit einem PC verbunden ist, wird der Ladestrom auf 0,5A limitiert, daher dauert das Laden hier auch meist ewig.

Diese Erkennung eines PCs ist recht einfach für das Smartphone. Aber zu erkennen ob dieses nun an einem 1A oder 2A Ladegerät hängt ist schwerer. Hier haben sich die Hersteller Tricks ausgedacht um das Smartphone zu „informieren“, beispielsweise, dass die Datenadern kurzgeschlossen sind, ist meist ein Zeichen für 1A Leistung.

Für mehr als 1A Leistung gibt es andere Tricks wie Widerstände, welche zwischen die Datenadern geklemmt werden usw. jedoch kocht hier jeder Hersteller sein eigenes Süppchen.

Daher gibt es auch bei Powerbanks so viele Schwankungen was die Ladegeschwindigkeit angeht obwohl die Ports meist alle 2,4A schaffen. Die Kommunikation zwischen Ladegerät und Smartphone ist hier meist das Problem.

Beispielsweise iPhones scheinen auch an der Spannung zu erkennen wie gut ein Ladegerät ist. USB Ports sollten 5V haben, kleinere Schwankungen sind erlaubt. Sinkt aber die Spannung unter ca. 4,8-4,7V schaltet das iPhone beim Aufladen eine Stufe runter.

Ein Fallen der Spannung kann ein Zeichen von einem überlasteten Ladegerät sein, daher geht hier das iPhone vermutlich auf Nummer sicher.

Dies ist auch der Grund warum schlechte Ladekabel die Ladegeschwindigkeit so stark beeinflussen (die schlechten Ladekabel senken ebenfalls die Spannung).

Kurz zusammengefasst als der USB Standard entwickelt wurde, hat vermutlich niemand daran gedacht, dass 95% aller mobilen Geräte irgendwann einmal über diesen Port geladen werden.

Neben dieser Problematik gibt es eine weitere, dies wäre Strom und Spannung. Der USB Port wie auch viele Kabel sind auf diese eigentlich maximalen 0,5A bzw. 0,9A Strom ausgelegt.

Wenn Ihr nun versucht 3A durch ein Kabel zu jagen, welches für 0,5A ausgelegt ist, könnte das Kabel schmelzen. Die meisten auf dem Markt erhältlichen Kabel sind natürlich mittlerweile nicht mehr nur auf diese 0,5A ausgelegt aber wie soll dies der Endkunde erkennen?

Ihr seht vielleicht USB brauchte eine generell Überholung, was das Laden über diesen Standard angeht.

Schnellladen

Die oben beschriebene Situation stellte die Hersteller für Smartphones vor ein paar Probleme. Die Lösung waren Proprietäre Schnellladesysteme, wie Quick Charge.

Hierbei muss in Ladegerät wie auch im Smartphone ein Chip verbaut sein, welche über die Datenadern kommunizieren.

Um das Problem mit den zu dünnen Kabeln zu lösen, hat man nicht den Strom (A) weiter erhöht sondern die Spannung. Eine hohe Spannung ist im allgemeinen leichter zu transportieren als ein hoher Strom (daher auch Hochspannungsleitungen und nicht Hochstromleitungen).

Quick Charge 3.0 nutzt beispielsweise zwischen 3,7V und 15V, je nachdem was das angeschlossene Gerät gerade anfordert.

Zusätzlich nutzen einige Schnellladesysteme neben den beiden Stromadern auch die Datenadern zum Strom transportieren.

Das Problem jeder Hersteller hat hier sein eigenes Verfahren, auch wenn sich Quick Charge ein wenig durchgesetzt hat.

USB C und Power Delivery

Mit dem neuen USB C Stecker gab es die Gelegenheit einen neuen Ladestandard einzuführen, welcher diese herstellerspezifische Standards überflüssig macht.

Dieser Standard wurde „Power Delivery“ getauft.  Neben dem „Power Delivery“ Standard wurde auch die Leistung des USB C Ports auf 3A spezifiziert. Zudem gibt es hier eine gewisse Grundform an Kommunikation. Ein Smartphone weiß also immer wie viel Leistung der Port maximal zur Verfügung stellen kann.

Dies ist auch beispielsweise der Grund warum eine Nintendo Switch an einem USB C Ladegerät schneller lädt als über ein Adapterkabel. Ähnliches gilt auch für MacBooks usw.

3A Leistung ist natürlich schon gut, aber neben dieser „Basis“ Leistung gibt es Power Delivery. Über den Power Delivery Standard können bis zu 100W übertragen werden.

Power Delivery ist ähnlich wie Quick Charge aufgebaut, wenn ein Smartphone, Notebook, Tablet dies unterstützt kann die Spannung von 5V auf bis zu 20V angehoben werden.

Hierdurch lassen sich auch größere Geräte via USB mit Strom versorgen, die eine höhere Spannung als die USB typischen 5V benötigen.

Wichtig ist hierbei zu wissen, dass nicht alle Power Delivery Ladegeräte auch alle Geräte mit Power Delivery versorgen können!

Es gibt hier mehrere „Stufen“. Wenn Ladegerät und Smartphone/Notebook verbunden werden, gibt es einen Austausch, das Ladegerät teilt hierbei dem Endgerät mit wie viel Leistung dieses liefern kann und bei wie viel Spannung.

Das Angeschlossene Gerät wählt danach aus was es benötigt. Sollte die Minimum Voraussetzung nicht erfüllt werden, kann es passieren, dass es nicht möglich ist das angeschlossene Gerät aufzuladen. Vor allem Notebooks können in der Regel nicht einfach an einer 5V Quelle (Powerbank) laden, sondern benötigen 19V bzw. 20V von der Powerbank! Selbst wenn diese Voraussetzung erfüllt ist funktioniert nicht nicht zwingend alles! Eventuell muss neben der passenden Spannung auch eine Mindestmenge(30W+) an Strom geliefert werden können, was gerade bei USB Power Delivery Powerbanks ein Problem sein kann.

Leider ist hier die Übersicht teilweise wirklich dämlich. Gerade bei Notebooks ist es teilweise kaum zu erkennen ob diese nur andere Geräte mit Power Delivery aufladen können oder ob diese selbst aufgeladen werden können und wenn ja welche Spannungen unterstützt werden. Lediglich das Apple MacBook und MacBook Pro händeln dies vorbildlich! Beide Notebooks lassen sich entweder an einer 5V oder 15V Quelle aufladen, also Praktisch an jeder Powerbank.

Viele Notebooks mit USB C lassen sich nicht über diese Ports mit Energie versorgen.

USB C Kabel 

Ich hatte ja das Problem beschrieben, dass bei microUSB das Smartphone nicht erkennen kann ob das verwendete Kabel sich überhaupt für einen hohen Strom eignet, dies ist bei USB C anders.

Neben den normalen Kabeln gibt es spezielle „gechippte“ Kabel. Wie Ihr sicherlich vermuten könnt, befindet sich im Kabel ein Chip in welchem einprogrammiert ist, welche maximale Leistung über das Kabel übertragen werden kann.

Dies ist natürlich nur bei Notebooks, welche 60W oder mehr benötigen, von Nöten. Solche Kabel sind in der Regel USB IF Zertifiziert.

USB C Power Delivery

Hier eine kleine, nicht vollständige, Liste von Geräten welche den Power Delivery Standard unterstützen.

• Google Pixel
• Google Pixel XL
• Google Pixel C
• LG G6
• Samsung Galaxy S8/S8 Plus
• Dell XPS 13
• Dell XPS 15
• Apple MacBook
• Apple MacBook Pro
• Apple iPad Pro
• LG Gram 2017
• Razer Blade Stealth
• Nintendo Switch
• Huawei Mate 9
• Huawei P10 Plus

Fazit

Ich hoffe dieser kleine Artikel konnte Euch etwas weiterhelfen!

Quellen:

• https://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus#Spannungsversorgung
• http://www.elektronik-kompendium.de/sites/com/1809251.htm
• http://www.usb.org/developers/powerdelivery/
• https://arstechnica.com/gadgets/2016/11/google-threatens-qualcomm-quick-charge-with-android-incompatibility/