USB Type-C 為各大電子設備的主流接口。目前技術上,USB Power Delivery(USB-PD)3.2 最高可讓 Type-C 線材達到 100W~240W 的電力供應;包含可程式設計電源(Programmable Power Supply, PPS)協定,容許對匯流排電壓和電流進行精確調節。這些特性方便 Type-C 充電器同時支援各種大大小小不同功率需求的裝置進行充電流,讓一個充電器可以同時充飽多個設備,大幅提升使用便利性和設備間的協作效率。以下文章,討論 Type-C 的 USB PD 優勢、以及其檢測驗證內容:
Type-C 獨有的 USB-PD 快充協定
USB-PD 快充協定由 USB-IF 非營利組織制定。過去的 PD 1.0、2.0 有支援 Type-A、Type-B、Type-C 接口。但目前較為主流使用的 PD 3.0、和新的 3.1、3.2 等規範,均僅用於 Type-C 型接頭。
以最新 USB-PD 3.2 來說, 支援的擴展功率範圍從最基礎的 5V 到高達 48V 傳輸電壓,來達到高達 240W 的功率等級,相比傳統 DC 充電的可攜式電子裝置規格最高到 90W,Type-C 型的 PD 快充電通常僅需一半的時間。且 PD 協定允許電源 Source / 待充設備 Sink 自動協商所需電壓,達成不同功率設備互通。例如,大瓦數充電器連接耳機等小功率設備,透過內置的控制晶片協商兩端可適電壓電流後充電,保證快充不損壞設備。
PD 協定的 Type-C 充電接頭上共有 24 個針腳,Type-C 電纜的兩端相同,因此在充電和資料傳出功能中,每個接頭都能充當 Source 或 Sink 角色。具備 Type-C 的兩台設備在電纜接通後,首先輸出最小瓦數進行協商,確認彼此擔任 Source/Sink,及協商出電壓(充電瓦數)後,進行充電;這些工作僅在秒內之間完成。
下圖中, 顯示 Type-C 接頭在兩種插拔的正反向不同的情況下,針腳依然有對應的連接方式,因此才不像 Type-A 需要固定的插拔方向:
PD 快充協定的測試與驗證方法
針對 Type-C 的 USB Power Delivery(PD)測試項目,可參考 USB-IF 規範的 USB-PD Type-C 設備測試。針對「供電」的合規性可 *下載官方檢測指標文件;其主要測試範圍包括:協定相容性、電氣性能、功能驗證、安全性測試等,以下整理文件中的項目內容:
Physical Layer Specific Tests 物理層測試:
測試設備會產生多種輸入訊號,監控訊號傳輸中的物理特性,包括波形準確性、噪聲抑制能力、誤碼率(BER)和訊號品質。(參考上述文件 P.74)。
測試內容:
眼圖測試:檢查訊號的穩定性,是否符合標準要求的眼圖模板(P.75)
噪音注入測試:通過模擬噪聲環境測試設備的抗干擾能力(P.76)
信號切換檢測:檢查訊號在 CC(Configuration Channel)線上的正確傳輸。
Protocol Specific Tests 協定層測試:
檢測設備的協定傳輸是否符合 USB PD3.1 標準,包括 UUT 測試、支援 Source/Sink 的設備測試、針對單一 Source 或 Sink 設備的測試、結構化 VDM 測試(P.96)。
UUT 測試內容:
由測試儀模擬不同情境,發送 Discover Identity、Source Capabilities、GoodCRC 等訊號,檢查設備是否回傳正確的訊號或數據。
檢查訊息發送的完整性與正確性,如協定的版本、數據對象數量、訊息類型等。訊息類型包括: GoodCRC、Accept、Reject、Wait 等控制訊息。(P.96)
Atomic Message Sequence (AMS):AMS 是一組原子級傳輸交換,確保設備能正確處理訊號序列,例如 Power Role Swap 或 Enter USB 模式;其測試 AMS 是否在時限內完成傳輸並正確回應。(P.103)
未預期訊號檢測:設備是否在協定中出現未定義或錯誤的訊號。
PD3 模式專屬測試項目:(P.110)
訊號擴展檢測:檢查設備對非分段擴展訊號(Unchunked Extended Messages)的支援能力,例如 Source_Capabilities_Extended、Status 等。
EPR 測試:驗證設備是否正確支持 Extended Power Range(EPR)相關的協定;正確發送和處理 EPR_Request、EPR_Accept 訊息。
電壓與功率協商:檢測設備是否能正確處理 Power Data Object(PDO)和 Programmable Power Supply(PPS)數據。
支援 Source/Sink 的設備測試:
PD2 和 PD3 模式測試:驗證設備能否在 Source 和 Sink 模式間正確切換。設備是否能在 Sink 模式下正確發送 Get_Source_Cap 訊息、在 Source 模式下正確處理 Request 訊息。(P. 126)
PD3 模式測試:驗證設備能否正確支持 PD3 模式的所有功能,包括電壓協商、角色切換、訊號的完整性及合乎規範,例如數據長度、標題參數等。(P.136)
針對單一 Source 或 Sink 設備的測試:
測試設備作為單獨 Source 時,能否正確發送 Source_Capabilities 訊號,以及回應 Sink 的 Request。測試設備做為單獨 Sink 時,能否正確回應 Source 的 Power Role Swap 或 Fast Role Swap 訊號。(P. 126)
結構化 VDM 測試:
測試設備是否能正確發送與處理結構化 VDM 訊息,例如 Discover Identity、Enter Mode 等。(P. 178)
Power Supply Specific Tests 電源測試:
測驗 Source/Sink 做為電源供應端或接收端的功率轉換能力,是否符合USB PD3.1 標準。測試儀將模擬不同的負載條件,測量設備的電力輸出穩定性、功率偏差和轉換效率。(P.196)。
測試內容:
供電設備測試(Source Tests):檢查設備是否能穩定輸出指定的電壓和電流(P.198)。
接收設備測試(Sink Tests):檢查設備是否能正確接收和管理輸入的功率(P.213)。
功率轉換測試:驗證設備在 SPR(Standard Power Range)和 PPS(Programmable Power Supply)模式下的轉換效率(P.196)。
Fast Role Swap Tests(FRS) 快速角色切換測試:
驗證設備是否能在瞬間斷電情況下,快速切換供電角色,確保連續穩定供電。(P.269)。
初始電源設備(Source)測試:檢查設備從供電端切換到接收端的表現(P.269)。
初始接收設備(Sink)測試:檢查設備從接收端切換到供電端的表現(P.277)。
VBUS 監控:檢測角色切換期間的 VBUS 電壓波動,是否在允許範圍內。(P.278)
USB4 Tests USB4 測試:
針對支援 USB4 的設備,模擬 USB4 特定場景,檢測其協商和數據重置能力(P.286)。
Data Reset Tests:檢查設備是否能正確執行 USB4 數據重置操作(P.286)。
Enter USB4 Tests:測試設備是否能成功協商進入 USB4 模式(P.295)。
Cable Response Tests:驗證纜線是否能正確支援 USB4 模式的訊息交換(P.305)。
USB 官方授權認證測試機構:GRANITE RIVER LABS
《GRANITE RIVER LABS》(簡稱 GRL),是擁有 USB 官方授權認證的測試解決方案研發商。除了提供 Type-C 產品測試服務,亦將多種 USB 官方測試標準引進至自行研發的測試儀中,包括 USB4®、USB 3.2、USB 2.0,以及 USB PD 快充測試標準;提供上述的 Type-C 產品企業,能透過自行操作檢測設備,於研發期間隨時檢驗、校正設計,讓產品設計更方便容易。
其中由翔宇科技代理進臺灣的〈USB Type-C® Power Delivery EPR 測試分析儀-C2-EPR〉,旨在幫助企業能隨時在研發調整途中,快速確認 USB Type-C® 規範中的各項關鍵電力傳送(EPR)功能,〈USB Type-C® Power Delivery EPR 測試分析儀-C2-EPR〉提供了高精度和高效能的測試工具,能夠檢測 USB PD 通訊協定中的所有重要訊息,並協助企業快速識別可能的問題或不符合規範的情況。確保研發中的產品能順利通過 USB PD 標準,提供使用者穩定和安全的充電功能。(研發商若邀將產品銷至歐盟成員國,除了 USB 認證,亦須通過歐盟 Directive (EU) 2022/2380)
▼ 嵌入:USB Type-C® Power Delivery EPR 測試分析儀-C2-EPR 使用畫面
USB Power Delivery 產品標準測試項目
資料來源:Granite River Labs 官網
USB Power Delivery 產品之電源瓦數的規範
資料來源:Granite River Labs 官網
總結 USB Type-C 介面具有小巧、傳輸充電快、正反插拔皆可、多種電壓轉換等優勢,提供了直觀而卓越的體驗。隨著 USB PD 快充協定和 CE 認證的普及,Type-C 的測試與驗證技術是產品設計中不可忽視的一環。未來,隨著 USB4.0 的技術推進,Type-C 將在更高效能、更智慧化的應用中持續創新,引領電子消費品市場的發展趨勢。