Phương thức sạc điện qua cổng USB

Chuẩn kết nối Universal Serial Bus (USB) đã được giới thiệu vào năm 1996 và kể từ đó đã trở thành một trong những phương thức giao tiếp phổ biến rộng rãi và thuận tiện nhất cho các thiết bị điện tử. USB được sinh ra với mục đích nhằm đơn giản hóa việc kết nối các thiết bị bên ngoài với máy tính, cũng như cho phép tốc độ truyền tải dữ liệu cao hơn. Và viêc cung cấp năng lượng thông qua USB để sạc các thiết bị được xuất hiện ngay sau đó với giới hạn truyền dẫn là 500mA.

Sau nhiều năm bộ sạc điện nắm giữ vị trí độc tôn thì bây giờ thế giới công nghệ cuối cùng đã kết hợp lại xung quanh một chuẩn sạc. Điểm sáng mới này nằm trong một phân mảnh của chuẩn USB, đó chính làUSB-C mới trình làng của Apple (xem PCW số tháng 04/2015 - trang 36, hoặchttp://www.pcworld.com.vn/T1238608). Và tiến bộ mới này dường như cũng chính là bóng đen bao trùm lên tuổi đời ngắn ngủi của chuẩn Micro USB-B trên dòng máy Samsung Galaxy, được tạo nên trong thời điểm bùng nổ thiết bị di động thông minh. Trong sự phát triển của chuẩn kết nối USB thì cũng xuất hiện những ngoại lệ sống lay lắt như chuẩn Lightning của Apple hay micro USB.

Mười năm trước đây, khi sử dụng thiết bị điện tử, chúng ta luôn luôn phải chắc chắn rằng phải có một nguồn điện phù hợp cho từng thiết bị tiện ích của mình. Thông thường thì nguồn cung cấp điện này không được gắn bất cứ một nhãn mác nào, hay áp một tiêu chuẩn vào đấy. Ngày nay, chúng ta có thểsạc điện thoại của mình bất cứ ở đâu, cắm smartphone hay máy tính bảng của mình vào bất kì máy tính PC nào; và có thể truyền tải dữ liệu, hình ảnh từ máy ảnh kĩ thuật số dễ dàng vào TV, tất cả những điều đó nhờ vào một chuẩn kết nối.

Cũng từ đó đã bắt đầu nảy sinh những vấn đề mới: bộ nguồn thông qua USB. Không phải tất cả bộ sạc USB hay định dạng kết nối, và cáp được sinh ra bình đẳng. Chúng ta có thể nhận thấy bộ sạc cắm vào nguồn cố định dường như có hiệu suất tốt hơn tất cả, nhưng đôi khi cắm USB vào máy tính lại hiệu quả hơn.

Đối với một số máy tính để bàn thì ngay cả khi máy đang tắt, chúng ta vẫn có thể sạc smartphone thông qua cổng USB. Và cuối cùng chúng ta nhận ra rằng, có một phương pháp có thể giải quyết vấn đề xử lý sạc điện thông qua cổng USB mà không cần quá quan tâm đến bộ nguồn cung cấp đó chính là mô hìnhUSB-C của Apple. Nhưng trước khi biết được phương pháp này thì chúng ta cần phải xem việc sạc điện thông qua cổng USB hoạt động như thế nào.

Các thể loại cổng USB trên thị trường, chuẩn A và chuẩn B.

Thông số kỹ thuật mới 

Hiện nay có 4 thông số kỹ thuật dành cho chuẩn USB bao gồm: USB 1.0, 2.0, 3.0, và 3.1 – tiêu biểu là kết nối USB-C mới. Tất cả chuẩn kết nối USB này đều có những sự khác biệt đáng kể nhưng chúng ta sẽ tập trung vào USB 3.0, bởi tại thời điểm hiện tại đây là chuẩn phổ biến nhất. Điều này thể hiện ở việc cổng USB được trang bị hầu hết trên máy tính và cùng với đó là sự phổ biến của cổng micro USB hay Lightning trên thiết bị di động. Một thực tế quan trọng khác là trong hệ thống giao tiếp từ thiết bị tới thiết bị (device-to-device) thông qua kết nối USB thì bao giờ cũng có 2 thành phần, đó là “máy chủ” và thiết bị.

Trong hầu hết các trường hợp thì máy tính sẽ là “máy chủ” và điện thoại thông minh hay các sản phẩm cầm tay khác sẽ đóng vai trò thiết bị. Nguồn điện luôn chạy từ máy chủ đến các thiết bị, nhưng dữ liệu có thể đi theo cả hai hướng.

Đầu nối tiêu chuẩn loại A và loại B của cổng USB có 4 chân bên trong (pin), và mỗi sợi cáp có 4 dây. Hai chân nằm giữa có khả năng truyền dữ liệu qua mạng (D + và D- hay 3 và 2), hai chân còn lại Vbus và GND tương đương (4 và 1) có khả năng cung cấp nguồn điện 5 volt. Xét về cường độ dòng điện hoạt động (milliamp, kí hiệu mA) thì hiện nay có 3 loại cổng USB được quyết định bởi thông số kĩ thuật tiêu chuẩn do tổ chức USB Implementers Forum (USB-IF) quy ước:

• Cổng USB tiêu chuẩn - Standard downstream port (SDP) được sử dụng cho thế hệ USB 1.0 và 2.0, có khả năng cung cấp nguồn điện tối đa lên đến 500mA (0,5A)
• Cổng USB sạc - Charging downstream port (CDP) ngoài chức năng trao đổi dữ liệu thì cổng nàycó thể cung cấp điện áp lên đến 1.500mA (1,5A)
• Bộ sạc tiêu chuẩn- Dedicated charging port (DCP) thường là adapter cho khả năng sạc nhanh các thiết bị với cường độ dòng điện thường sử dụng là 1.500mA (1,5A)

Trong đó, 2 cổng USB đầu tiên có thể được tìm thấy trên máy tính để bàn của chúng ta và được các nhà sản xuất phổ thông hóa trong nhiều năm năy, còn loại thứ ba áp dụng cho bộ sạc cắm tường. ChuẩnUSB 3.1 mới nhất trên thị trường có tốc độ truyền dữ liệu lên đến 10Gbps, hay còn gọi là chuẩn kết nối siêu nhanh là SuperSpeed +. Điều này giúp USB 3.1 đạt được hiệu suất gần như tương đương với thế hệ đầu tiên của chuẩn kết nối Thunderbolt. Chuẩn USB 3.1 cũng hỗ trợ tính năng hấp dẫn cho bộ sạc khi chịu tải được dòng điện từ 1,5 - 3A trên điện áp đầu ra có thể lên tới 20V, 100W. USB 3.1 tương thích ngược với USB 2.0 và USB 3.0 với đầu nối loại A và loại B.

Một thực tế khác là có rất nhiều bộ sạc USB phá vỡ các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn, ví dụ như iPad của Apple sử dụng bộ sạc 2,1A trên nguồn 5V hay Kindle Fire của Amazon với nguồn ra là 1,8 A...

USB-C là một phương thức kết nối khác hoàn toàn. Thay vì sử dụng 4 chân tiếp xúc như đầu nối loại A và loại B, thế hệ C này có tới 24 chân và có khả năng đảo chiều. Trên lý thuyết thì khả năng xử lý củaUSB-C có thể cao gấp đôi thế hệ cũ là USB 3.0, kể cả trong khả năng truyền tải dòng điện. Hiện nay, Apple đã tích hợp USB-C với chuẩn USB 3.1 trên MacBook mới và Google đánh dấu với dòng sản phẩm Chromebook Pixel.

Theo tiêu chuẩn sạc thông qua USB của USB-IF quy ước thì thiết bị thông minh sẽ nhận diện nguồn sạc thông qua 2 bước: Bước đầu truyền điện áp định mức 0,6V vào đường D+ sau đó đọc điện áp đưa về trên D-. Nếu điện áp này nhỏ hơn điện áp định danh khoảng 0,3V thì thiết bị thông minh sẽ nhận diện nguồn sạc là SDP. Ngược lại, nếu lớn hơn trong khoảng 0,3V – 0,8V thì thiết bị sẽ xem nguồn sạc đang được nối đến một Charging Port (CDP hoặc DCP). Bước thứ 2 là đưa điện áp định mức 0,6V vào đường D- sau đó đọc điện áp trên D+. Nếu thấp hơn điện áp định danh 0,3V thì thiết bị thông minh mặc định tiêu chuẩn CDP. Nếu lớn hơn 0,3V – 0,8V thì sẽ định dạng là DCP.

Thông thường, khi tắt máy tính thì đồng thời tắt luôn USB. Tuy nhiên một số máy tính được trang bị các cổng USB có chức năng “Ngủ nhưng vẫn sạc” (Sleep-and-Charge), giúp sạc các thiết bị điện tử khi máy tính tắt. Sleep-and-Charge trên cổng USB có thể được kí hiệu bởi màu đỏ hoặc màu vàng nhưng không có tiêu chuẩn nào cụ thể. Dell xác định bằng việc thêm biểu tượng tia sét và đặt tên là là "PowerShare", trong khi Toshiba sử dụng thuật ngữ "USB Sleep-and-Charge"

Sử dụng bộ sạc có khả năng điện áp lớn để giảm thời gian sạc.

Độ an toàn khi sạc qua cổng USB 

Một cổng USB bình thường có khả năng tải nguồn điện 500 mA và cổng sạc chuyên dụng có thể dao động lên đến 3.000 mA. Điều này đặt ra một câu hỏi khá quan trọng: Nếu chúng ta sử dụng smartphonevới bộ sạc chuẩn 900 mA thì khi cắm vào bộ sạc của iPad có khả năng truyền tải 2.100 mA thì điều đó có gây cháy nổ hay không?

Trong khoảng thời gian ngắn thì việc sử dụng nguồn sạc có điện áp lớn hơn không có điều gì đáng ngại. Chúng ta có thể cắm bất kì thiết bị có cổng kết nối USB vào mọi dây cáp và bộ sạc, trên thực tế bằng việc sử dụng một bộ sạc có khả năng truyền tải mạnh giúp tốc độ sạc pin nhanh hơn. Nhưng về lâu về dài thì tuổi thọ của pin thiết bị khi sử dụng bộ sạc đúng điện áp sẽ được đảm bảo và kéo dài hơn so với việc sạc nhanh.

Trở lại hồi năm 2007, tại diễn đàn USB Implementers Forum (USB-IF) người ta đã đưa ra tiêu chuẩn kĩ thuật của việc sạc pin (Battery Charging Specification), trong đó xuất hiện tiêu các chuẩn về cách nhanh sạc thiết bị USB hoặc bằng cách tăng thêm dòng điện qua cổng USB của máy tính hoặc bằng các bộ sạc chuyên dụng. Ngay sau đó, các thiết bị USB đều áp dụng các tiêu chuẩn kĩ thuật trên. Nếu có một thiết bị bất kỳ trang bị cổng USB đời mới như điện thoại thông minh, máy tính bảng, hoặc máy ảnh thì chúng ta có thể cắm vào một cổng USB có cường độ dòng điện cao để giúp sạc pin nhanh hơn. Nếu là các thiết bị cũ thì có thể sẽ không được hỗ trợ những tiêu chuẩn sạc Battery Charging Specification dành cho USB mới. Các thiết bị đời cũ chỉ có thể hoạt động thông qua các USB 1.0 và 2.0 trên máy tính với khả năng truyền tải chỉ có 500 mA.

Trong khi máy tính có thể có 2 loại cổng USB: cổng tiêu chuẩn SDP và cổng sạc CDP nhưng các nhà sản xuất lại không đính nhãn mác để người dùng có thể nhận biết. Kết quả là đôi lúc chúng ta lãng phícổng kết nối này một cách vô ý. Tương tự, một số thiết bị gắn ngoài như ổ đĩa cứng và ổ đĩa quang, thường đòi hỏi nhiều năng lượng hơn khả năng một cổng USB có thể cung cấp, đó là lý do tại sao xuất hiện dây nối chuyên dụng USB-Y hoặc một bộ chuyển đổi điện đi kèm. Và nếu kết nối USB-C mới có thể sớm phổ biến thì sẽ khiến mọi thứ trở nên đơn giản hơn và chúng ta không phải phiền lòng với việc cắm sai cổng kết nối nữa.

Từ khóa tìm kiếm Mobile, thế giới số, công nghệ, kỹ thuật số, smartphone, thế giới công nghệ