Jaką moc z interfejsu USB pobiera pendrive ?

W materiale "HDD vs SSD - zmierzyliśmy pobór prądu" udało się oszacować jaką moc pobierają dyski z interfejsem SATA. W prostszych platformach bardziej popularne jest złącze USB, które może pozwolić na łatwe dołączenie pamięci masowej USB o pojemności wielu GB.

Jaką moc pobierają pamięci USB podłączone do tabletu, smartfona, lub platformy posiadającej możliwość podłączenia takiej pamięci ?
Niektóre pamięci USB dość mocno nagrzewają się podczas pracy, co może świadczyć o dużym poborze prądu, sprawdźmy o jakim zakresie mocy oraz wpływie na rozładowanie baterii możemy mówić.

Pomiary i oszacowanie ich dokładności zostało przeprowadzone w oparciu o metodę zastosowaną w materiale HDD vs SSD - pobór mocy część II. W przewód zasilający (pin 1 USB A) w przedłużaczu USB został włączony przetwornik prąd->napięcie zapewniający niewielki spadek napięcia (w porównaniu do multimetrów na zakresie ~200-400mA).

Jedyną różnicą w porównaniu do pomiarów dysków jest jednoczesny pomiar prądu i napięcia zasilającego urządzenie USB. Pobierane moce będą mniejsze, natomiast napięcie dostępne na USB może być "mniej sztywne" niż ze złącza zasilającego HDD (bezpośrednio z zasilacza). Na spadek napięcia będą miały wpływ wewnętrzne obwody zabezpieczające USB, przedłużacz USB 3m, konwerter prąd->napięcie oraz styki wtyczek. Aby zwiększyć dokładność przy każdym pomiarze prądu, mierzone jest także napięcie w gnieździe zasilającym urządzenie. Dla wyjściowych napięć konwertera prąd->napięcie poniżej 200mV do pomiaru zastosowany został multimetr UT58D ustawiony na zakres 200mV, dla napięć >=200mV wykorzystany był KEW 1009. Pomiar napięcia w szynie zasilającej USB wykonywany był multimetrem UT58D ustawionym na zakres 20V.

Urządzenia z interfejsem USB3.0 zostaną przetestowane przy połączeniu USB3.0 i USB2.0, zobaczymy jaki będzie to miało wpływ na pobór mocy.

Do testu zebrałem własne i pożyczone urządzenia o różnych parametrach oraz dacie produkcji.

Każde urządzenie zostanie sprawdzone w stanie bezczynności (idle), zapisu sekwencyjnego (seq write), odczytu sekwencyjnego (seq read).

Ile mocy pobiera pendrive ?

Urządzenia USB 3.0.

Do testu zostały użyte:
-32GB Kingston Data Traveler 100 G3 (32GB wersja 16GB pendrive będącego gadżetem elektroda.pl).
-8GB MXES (prawdopodobnie pamięć SLC) pracujący jako dysk systemu operacyjnego macierzy dyskowej.
-16GB Patriot TAB (pendrive o bardzo małych rozmiarach).
-32GB MX OTG-GUARD (pendrive z wtyczką typu A do komputera, oraz micro USB np. do smartfona).

pendrive	stan	wynik	napięcie [V]	prąd [mA]	moc [mW]	niepewność [mW]
32GB Kingston Data Traveler 100 G3	ilde	-	5,04 / 5,07	169,9 / 85,9	856 / 436	7 / 4
32GB Kingston Data Traveler 100 G3	seq write	19MB/s	5,02	220,4	1106	11
32GB Kingston Data Traveler 100 G3	seq read	41MB/s	5,05	207,1	1046	11
8GB MXES	idle	-	5,06	132,7	671	6
8GB MXES	seq write	41MB/s	5,04	165,0	832	7
8GB MXES	seq read	143MB/s	5,06	176,1	891	7
16GB Patriot TAB	idle	-	5,10	34	173	2
16GB Patriot TAB	seq write	6MB/s	5,09	81,1	413	4
16GB Patriot TAB	seq read	38MB/s	5,09	90,9	463	4
32GB MX OTG-GUARD	idle	-	5,10	40,6	207	2
32GB MX OTG-GUARD	seq write	11MB/s	5,08	107,8	548	5
32GB MX OTG-GUARD	seq read	51MB/s	5,09	90,2	459	4

Dla Kingston Data Traveler moc pobierana przez urządzenie dochodziła do 1W przy intensywnym zapisie i odczycie. W stanie bezczynności urządzenie przełączało się pomiędzy dwoma stanami, w jednym z nich pobór mocy wynosił ~430mW w drugim ~850mW, poniżej widoczny kształt pobieranego prądu.









Kształt prądu podczas operacji zapisu i odczytu wygląda dość typowo.







Pendrive MXES 8GB mimo dużej szybkości pobierał moc <1W.
Patrot TAB 16GB pobierał mniejszą moc niż poprzednie urządzenia, jednak szybkość zapisu była ograniczona do 6MB/s dodatkowo podczas ciągłego zapisu występowały dziwne zatrzymania pracy urządzenia. Kształt prądu pobieranego przez urządzenie wskazuje na kilka wewnętrznych stanów pracy.






Możliwe że 32GB MX OTG-GUARD oparty jest o podobny kontroler jak ten zastosowany w Patrot TAB, gdyż kształt prądu był bardzo zbliżony, szybsze działanie być może zawdzięcza innemu typowi pamięci flash. Szybsze działanie przekłada się na nieco większy pobór prądu. Urządzenie posiada dwie wtyczki, jedną można wykorzystać do połączenia np. z PC/laptopem, drugą microusb do podłączenia np. ze smartfonem.

Urządzenia USB 3.0 pracujące w trybie USB2.0

pendrive	stan	wynik	napięcie [V]	prąd [mA]	moc [mW]	niepewność [mW]
32GB Kingston Data Traveler 100 G3	ilde	-	5,08	101,1	514	4
32GB Kingston Data Traveler 100 G3	seq write	19MB/s	5,07	168,1	852	7
32GB Kingston Data Traveler 100 G3	seq read	38MB/s	5,08	168,2	854	7
8GB MXES	idle	-	5,09	49,8	253	2
8GB MXES	seq write	30MB/s	5,09	71,5	364	3
8GB MXES	seq read	39MB/s	5,09	70,2	357	3
16GB Patriot TAB	idle	-	5,10	32,2	164	2
16GB Patriot TAB	seq write	6MB/s	5,10	71,0	362	3
16GB Patriot TAB	seq read	24MB/s	5,09	68,6	349	3
32GB MX OTG-GUARD	idle	-	5,10	38,1	194	2
32GB MX OTG-GUARD	seq write	10MB/s	5,09	95,9	488	4
32GB MX OTG-GUARD	seq read	25MB/s	5,09	65,1	331	3

Testowane urządzenia USB3.0 pracujące w trybie USB2.0 pobierały mniej energii, jednak widoczny był efekt mniejszej wydajności interfejsu USB2.0. W prostych platformach dostępnym interfejsem będzie zwykle USB2.0.

Urządzenia USB 2.0

Do testów urządzeń USB 2.0 udało się pozyskać zarówno tanie nośniki, gadżety reklamowe, jak również pamięci miniaturowe a także o dużej pojemności oraz o wysokiej prędkości zapisu.

pendrive	stan	wynik	napięcie [V]	prąd [mA]	moc [mW]	niepewność [mW]
4GB elektroda.pl	idle	-	5,09	56,5	288	3
4GB elektroda.pl	seq write	3MB/s	5,08	78,3	398	4
4GB elektroda.pl	seq read	18MB/s	5,08	97,7	496	4
8GB San Disk cruzer fit	idle	-	5,10	28,5	145	2
8GB San Disk cruzer fit	seq write	4MB/s	5,10	62,2	317	3
8GB San Disk cruzer fit	seq read	16MB/s	5,10	54,3	277	3
4GB mat. reklamowe	idle	-	5,09	55,0	280	3
4GB mat. reklamowe	seq write	1MB/s	5,08	71,5	363	3
4GB mat. reklamowe	seq read	5MB/s	5,08	72,7	369	3
8GB San Disk cruzer contur	ilde	-	5,09	39,6	202	2
8GB San Disk cruzer contur	seq write	17MB/s	5,07	126,4	641	5
8GB San Disk cruzer contur	seq read	28MB/s	5,07	118,3	600	5
16GB Adata C802	idle	-	5,09	43,8	223	2
16GB Adata C802	seq write	4MB/s	5,08	74,6	379	3
16GB Adata C802	seq read	19MB/s	5,07	93,1	472	4
4GB Patrot exporter	ilde	-	5,09	63,6	324	3
4GB Patrot exporter	seq write	5MB/s	5,08	133,8	680	6
4GB Patrot exporter	seq read	22MB/s	5,08	118,9	604	5
8GB PNY	idle	-	5,09	70	356	3
8GB PNY	seq write	4MB/s	5,09	93,6	476	4
8GB PNY	seq read	24MB/s	5,09	93,9	478	4

Rozrzut pobieranych mocy jest spory, małą moc pobiera miniaturowy pendrive 8GB San Disk cruzer fit, dodatkowo kształt poboru prądu był dość nietypowy w porównaniu z pozostałymi urządzeniami.







Co ciekawe szybszy model 8GB San Disk cruzer contur podczas pracy generował podobne kształty pobieranego prądu. Być może urządzenia posiadają podobny kontroler lecz wyposażone są w różne pamięci.







Wykorzystując pamięć USB w swoim projekcie lub podłączając ją do urządzenia mobilnego trzeba liczyć się z dodatkowym poborem prądu 0.2-0.5W a nawet ~1W, mimo wszystko pendrive może być wygodnym sposobem na proste zwiększenie dostępnej ilości pamięci masowej.

Pamięci masowe USB to także dyski twarde.

W materiale "HDD vs SSD - zmierzyliśmy pobór prądu." udało się ustalić, że dyski 2.5" zwykle zadowolą się pojedynczym zasilaniem 5V. Dostępne są dyski z interfejsem USB udostępniające pojemność liczoną w TB to znaczący skok w porównaniu z pendrivami USB, jaka moc potrzebna jest do zasilenia takiej pamięci masowej ?

HDD	stan	wynik	napięcie [V]	prąd [mA]	moc [mW]	niepewność [mW]
500GB WD elements	idle	-	5,03	222,8	1121	11
500GB WD elements	seq write	37MB/s	4,86	678	3295	46
500GB WD elements	seq read	39MB/s	4,88	650	3172	45

Sprawdzany dysk USB 2.0 pobierał moc ~3W, prąd ~600mA może powodować problemy z wydajnością prądową portu USB, natomiast spadki napięć mogą wywołać niepewną pracę dysku. Jeżeli pokonamy te przeszkody i zapewnimy właściwe warunki pracy dysku, otrzymamy pojemną pamięć masową podłączoną z wykorzystaniem USB np. do systemu opartego o mikrokontroler lub mini komputera. USB 2.0 ograniczy szybkość zapisywania i odczytywania danych na dysk twardy.

Czy w swoich projektach wykorzystywaliście pamięci masowe podłączone uniwersalnym interfejsem USB,
czy wolicie np. karty SD lub mniej pojemne pamięci flash np. z interfejsem SPI ?