FAQ: USB-C für die Stromversorgung

USB-C ist eine einheitliche und vielseitige Steckverbindung, die nicht nur eine Datenübertragung, sondern auch die Stromversorgung von Geräten ermöglicht. Im Vergleich zu älteren USB-Steckverbindungen bietet USB-C deutlich höhere Ladeleistungen, ist beidseitig steckbar und verdrehsicher, was die Handhabung erleichtert.

Bei der Verwendung von USB-C für die Stromversorgung von elektronischen Schaltungen und Geräten treten jedoch verschiedene Probleme auf.

Während man früher bei USB 2.0 einfach 5 Volt abgreifen konnte, muss die Stromversorgung durch USB-C spezifizierten Regeln und Protokollen festgelegt, die eine interne Beschaltung oder aktive Komponenten erfordert. So erfordert die Komplexität von USB Power Delivery (USB-PD) die Nutzung von USB-PD-Trigger-Chips, die das Protokoll sprechen und ohne die ein Netzteil keine Spannung und keinen Strom bereitstellt.

Wie müssen USB-C-Stecker und USB-C-Buchsen beschaltet werden?

Die Frage ist, wie muss der USB-C-Stecker und die USB-C-Buchse beschaltet werden, damit man sie für eigene Projekte als Steckverbindung für die Stromversorgung verwenden kann.

Die Annahme ist, dass man nur die Pins für VBUS (5 Volt) und GND zu beschalten braucht. Das funktioniert aber nur dann, wenn das Kabelende auf der Netzteil-Seite einen USB-A-Stecker hat und dort in einem USB-Netzteil eingesteckt ist.

Bei einem USB-C-Netzteil funktioniert das in der Regel nicht. Ein USB-C-Netzteil liefert nur dann an VBUS eine Spannung, wenn sich das Endgerät über die Steuerpins CC1 und CC2 als Verbraucher ausweist.

Welche Aufgabe haben die CC1- und CC2-Pins (Configuration Channel) bei USB-C?

Die USB-Pins CC1 und CC2 (Configuration Channel) spielen eine Schlüsselrolle bei der Erkennung einer Verbindung und der Aushandlung von Rollen und Stromstärken.

Die CC-Pins werden verwendet für:

• Erkennung, ob ein Stecker eingesteckt ist (Attachment Detection)
• Erkennung der Stromrichtung (Source oder Sink)
• Aushandlung der maximal zulässigen Stromstärke
• Erkennung von USB-Kommunikation

Wie funktioniert die Erkennung der Steckerdrehung?

Die USB-C-Stecker und -Buchsen besitzen zwei CC-Pins (CC1 und CC2), aber es wird immer nur einer verwendet, weil ein USB-C-Kabel nur eine CC-Leitung hat. Auf diese Weise kann man herausfinden, wie herum der Stecker eingesteckt ist.
Die Erkennung der Steckerdrehung ist deshalb wichtig, damit die Geräte die Sende- und Empfangsleitungen richtig herum beschalten.
Ansonsten ist die Pinbelegung symmetrisch angeordnet, sodass es normalerweise keine Rolle spielt, wie herum ein Stecker gesteckt ist.

Wie funktioniert die Erkennung der Stromrichtung?

Die Quelle (Source), das kann ein Ladegerät oder ein Host-PC sein, hat jeweils einen Pull-Up-Widerstand von CC1 und CC2 nach VCC bzw. VBUS. Damit signalisiert die Quelle, dass sie angeschlossen ist und Strom liefern kann.
Der Verbraucher (Sink), das kann ein Handy oder Peripherie-Gerät sein, hat jeweils einen Pull-Down-Widerstand mit 5,1 kOhm von CC1 und CC2 nach GND. Damit signalisiert der Verbraucher, dass er angeschlossen ist.
Auf diese Weise entsteht ein Spannungsteiler der ausgewertet werden kann. Durch seinen Pull-Up-Widerstand gibt das Netzteil an, wie viel Strom es liefern kann.

Wie funktioniert die Aushandlung der maximal zulässigen Stromstärke?

Dafür wird der Spannungsteiler verwendet. Das angeschlossene Sink-Gerät erkennt anhand des Spannungsteilers zwischen Pull-Up (in der Source) und Pull-Down (in der Sink), wie viel Strom maximal geliefert werden kann.
Auf der Source-Seite hat ein Pull-Up-Widerstand von VBUS (bzw. Vcc) nach CC1 und CC2 üblicherweise folgende Werte:

• 56 kOhm für 500 mA / 900 mA
• 22?kOhm für 1,5 A
• 10?kOhm für 3,0 A

Warum wird oft nur vom Pull-Up-Widerstand gesprochen?

In vielen Tutorials und Dokumenten wird oft nur aus der Sicht der Quelle (z.?B. ein Netzteil) gesprochen. Dort befindet sich der Pull-Up-Widerstand. Für die Stromfestlegung ist aber auch der Pull-Down-Widerstand im Verbraucher wichtig. Beide sind Teil des Erkennungsmechanismus.

Wie muss ein USB-C-Port zur Stromversorgung realisieren werden?

Es gibt Adapterplatinen, auf denen sich ein USB-C-Buchse befindet und die Pins für VBUS, GND, CC1 und CC2 herausgeführt hat. Die braucht man, um die USB-C-Steckverbindung für die Stromversorgung nutzen zu können. Manche dieser Platinen haben bereits Widerstände für CC1 und CC2 integriert. Hier muss man jedoch darauf achten, ob die als Pull-Up nach VBUS oder als Pull-Down nach GND geschaltet sind. diese Widerstände geben dann vor, ob die USB-C-Buchse als Quelle oder als Verbraucher genutzt werden kann.

Warum liefert ein USB-C-Netzteil keine Spannung?

Wenn man an einem USB-C-Kabel oder einem USB-C-Netzteil eine Spannung zwischen VBUS und GND misst, dann erwartet man mindestens einen Wert von +5 Volt. Tatsächlich misst man aber 0 Volt.

Ein USB-C-Netzteil erwartet, dass der Verbraucher oder das Endgerät eine korrekte CC-Beschaltung, bevor es eine Spannung auf VBUS schaltet.
Auf der Verbraucherseite müssen im Gerät die CC-Pins (CC1 und CC2) des USB-C-Ports mit jeweils einem Pull-Down-Widerstand gegen GND geschaltet sein.

In einem sehr seltenen Fall kann es sein, dass nur ein CC-Pin einen Pull-Down-Widerstand hat. Dann würde es eine Rolle spielen, wie herum der USB-C-Stecker gesteckt ist.

Wie kann man ein USB-C-Kabel oder -Netzteil systematisch prüfen?

Prüfe zuerst, ob das USB-C-Netzteil mit anderen Geräten und Kabeln funktioniert. Wenn nicht, dann entferne das USB-C-Netzteil vom Stromnetz und warte eine Weile, bis sich die internen Kondensatoren vollständig entladen haben. Meist erkennt man das an abglimmenden Status-LEDs.

Achtung, bei den folgenden Messungen darf das Gerät (Endgerät oder Netzteil) auf keinen Fall mit einer Spannungsquelle (zum Beispiel Akku) oder dem Stromnetz (zum Beispiel Netzteil) verbunden sein.

Im nicht angeschlossen Zustand kann man die Widerstände mit einem Multimeter messen. Dazu müssen die Netzteile und Geräte spannungsfrei und stromlos sein.
Wenn man einen Widerstand von CC1 und CC2 gegen GND isst, dann misst man die Sink-Seite der Verbindung. Das ist der Pull-Down-Widerstand des angeschlossenen Endgeräts. Typische Werte sind ca. 5,1? kOhm (laut USB-C-Spezifikation). Wenn dieser Widerstand nicht messbar ist, dann besteht keine Verbindung oder der Widerstand ist nicht vorhanden. In beiden Fällen wird das Netzteil keine Spannung liefern.

Wenn man einen Widerstand von CC1 und CC2 gegen VBUS misst, dann misst man die Source-Seite der Verbindung. Das ist der Pull-Up-Widerstand der Quelle. Typische Werte liegen über 10 kOhm mit einer hohen Toleranz. Wenn der Widerstand nicht messbar ist, dann besteht keine Verbindung zur Quelle oder das Netzteil ist defekt.

Wenn ein Gerät mit USB-C-Anschluss nicht mit einem USB-C-Netzteil geladen oder betrieben werden kann, ist das Gerät dann defekt?

Nein, ein Gerät ist nicht automatisch defekt, wenn es nicht mit jedem USB-C-Netzteil funktioniert.

1. USB-C ist nur die Steckverbindung. Damit besteht keine Garantie für eine bestimmte Funktion. Wenn ein Gerät einen USB-C-Anschluss hat, sagt das nichts darüber aus, ob es mit jedem USB-C-Netzteil geladen werden kann.
2. Es gibt eine EU-Verordnung, die vorschreibt, dass Mobiltelefone, Tablets, Digitalkameras, Kopfhörer, Headsets, Videospielkonsolen, tragbare Lautsprecher, E-Reader, Tastaturen, Mäuse, Navigationsgeräte, Ohrhörer und Notebooks, die in der EU verkauft werden, über USB-C geladen werden müssen. Aber nicht alle elektronischen Geräte sind erfasst. Für Geräte außerhalb der definierten Kategorien gilt die Pflicht gar nicht.

Fazit: Nutzer müssen leider prüfen, ob Netzteile, Ladegerät und Kabel für bestimmte Geräte geeignet sind.
Ein USB-C-Adapter, mit dem auch ungeeignete Geräte geladen werden können, wäre eine Lösung.

• Adapter für die USB-C-Stromversorgung bauen

Wie ist die fehlende Speisung durch ein USB-C-Netzteil zu bewerten?

Wenn an einem USB-C-Endgerät auf den CC-Leitungen keine Pull-Down-Widerstände vorhanden sind, dann spricht man von „Floating CC“, „Open CC“, „Missing Pull-Down“ oder „Non-compliant USB-C sink“.

• Es handelt sich um einen Stromverbraucher (Sink), dem die Pull-Down-Widerstände an den CC-Pins fehlen.
• Er wird dann von einer USB-C-Quelle in der Regel nicht als angeschlossen erkannt.
• Normalerweise wird dann keine VBUS-Spannung eingeschaltet.

Fazit: Das USB-C-Endgerät funktioniert nicht spezifikationskonform.

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