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USB-IF最新PD规范–PD 3.1规格介绍

时间:2021-07-07 作者:张文馨,Granite River Labs/GRL 阅读:
继PD3.0之后,2021年5月USB-IF在Power Delivery加入了新的规格,并发表PD 3.1规范 (USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.0),以下内容皆以PD 3.1 Spec简称。新的规范中加入EPR (Extend Power Rang) 功能,扩展PD 3.0供电最大瓦数100W的限制,增加到240W (48V 5A) ,并在文件中对其供电要求与行为加以定义,以下章节将由PD 3.1供电规格开始、并介绍EPR这个新功能。
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继PD3.0之后,2021年5月USB-IF在Power Delivery加入了新的规格,并发表PD 3.1规范 USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.0,以下内容皆以PD 3.1 Spec简称。

新的规范中加入EPR (Extend Power Rang) 功能,扩展PD 3.0供电最大瓦数100W的限制,增加到240W (48V 5A) ,并在文件中对其供电要求与行为加以定义,以下章节将由PD 3.1供电规格开始、并介绍EPR这个新功能。

PD 3.1供电规格

PD 3.1 Spec中,将原先PD 3.0定义的供电规格纳入SPR (Standard Power Range) ,SPR规格可参考先前我们推出的技术文章:Power Delivery 的源起与规格中的表3,在PD 3.1 Spec中改以SPR PDO 与SPR APDO称之,其供电规格要求与上限100W规则皆不变。另外新增了EPR选配功能,指最大供电瓦数达100W~240W的产品,其设定须满足表1之规范。

EPR PDO在目前规范中包含:

  1. Fixed PDO:定电压输出,在EPR模式中,Fixed PDO指电压 >20V的规格,包含28V、36V以及48V三个选项。
  2. AVS (Adjustable Voltage Supply) APDO:在EPR模式中,电压可以在一定范围区间内调整输出,范围由最低15V到最高有28V、36V和48V三种视瓦数而定 (表2) 。AVS类似PPS功能,差异是AVS不支持Current Limit操作,且以100 mV为单位步阶调整输出电压 (PPS则是 20mV) 。

表 1:支持EPR产品供电规格规范(数据源参考自 PD 3.1 Spec)

表2 : AVS电压范围 (取自 PD 3.1 Spec)

以下举两个例子说明,协助大家理解表格

  1. 输出最大140W,须满足以下条件:
  • SPR Fixed PDO: 5V@3A~5A 、9V@3A~5A、15@3A~5A 、20V@5A
  • EPR Fixed PDO: 28V@5A
  • AVS APDO  15V~28V@140W

      2.而144W须满足条件如下(表1中第二列瓦数区间):

  • SPR Fixed PDO: 5V@3A~5A、9V@3A~5A、15@3A~5A、20V@5A
  • EPR Fixed PDO: 28V@5A、36V@4A
  • AVS APDO: 15V~36V@144W 

看到这里可能各位会疑惑,为什么只有AVS APDO的表示法和其他不一样,参考下表3会发现字段中没有描述最大电流的地方,反而是以瓦数表示。这是因为AVS操作电流会受限于瓦数,随当下操作电压而改变,所以电流并非定值,因此应参考瓦数而非电流。

表3 : AVS APDO格式 (取自 PD 3.1 Spec)

其中144W例子中AVS  APDO对于28.8V~36V操作电压下的电流条件,可以参考下图1会较容易理解,图中蓝色区域表示AVS可操作范围,其中又可分为两区加以说明:

  1. 黄色标示的A区是在不超过最大瓦数前提下,可以操作在5A的电压范围,即表1中第一个叙述– 15V~28.8V@5A。
  2. 绿色标示区间B,则是受限于瓦数限制,操作电流要视当下电压而定,因此以公式描述–28.8V~36V@(144/AVS Voltage)A。

图1:AVS供电模式示意图(取自 PD 3.1 Spec并于图上另加批注协助说明)

值得注意的是,表1中N/A的部分严格规定为不可支持,即140W以下产品不可支持36V与48V、180W以下产品不可支持48V。

另外有一类型产品设计为Shared Capacity Charger,指其产品上的可供电瓦数是共享的。当部分资源已被使用,剩下埠可使用瓦数为总瓦数扣掉已被使用的部分,再做分配,此时实际可用瓦数称为Equivalent PDP Rating,设定条件参考整理如下表(表4)。

表 4:支持EPR产品在Shared Capacity Power供电模式条件(数据源参考自 PD 3.1 Spec)

举一产品设计为例,输出总瓦数最大为250W,2埠单独使用时分别可以支持到160W:

  • 单独使用规格应为 (5V@3A~5A、9V@3A~5A、15@3A~5A、20V@5A、28V@5A、36V@4.44A、15V~36V@160W)。
  • 当其中一埠已使用100W,则另一埠Equivalent PDP Rating为150W,此时供电条件如下: 5V@3A~5A、9V@3A~5A、15@3A~5A、20V@5A、28V@5A、36V@4.16A、15V~36V@150W。

EPR_Source_Capabilities

先前文章有提到,供电能力会宣告在Source_Capabilities中,同样的概念导入EPR模式,因此在PD 3.1 Spec中新增了EPR_Source_Capabilities,支持EPR供电产品将其规格表示在此信息中。

如下取自PD 3.1 Spec的示意图,Data Object前7组填入的是SPR PDO内容,且内容需要与Source_Capabilities一样,若SPR PDO不足7组,则写入0补满。

第8组开始写入EPR PDO内容,最多可以填到第13组,写入顺序需由Fixed PDO电压由低到高,而后接着一组AVS APDO。

图2:EPR_Source_Capabilities格式(取自 PD 3.1 Spec)

EPR模式流程

进入EPR模式供电之前,Source/Sink需要先建立Explicit PD Contract,在这个过程中,双方分别在Source Capabilities与 Request 信息中宣告自己是否有支持EPR模式,作为后面若要进EPR模式前检查双方能力的参考依据。进入EPR模式需要透过一沟通与检视的过程,步骤条列式整理如下:

Enter EPR Mode

  1. Sink 发送EPR_Mode信息,其中Data Object中设定为Enter,表示要进EPR模式的沟通 (EPR_Mode信息依其中内容设定,表示不一样的用途,可参考图3)
  2. Source检查双方都有支持EPR模式,并且当下状态有能力支持EPR模式供电。传送设定为Enter Acknowledged的EPR_Mode信息,表示Source目前状态允许进EPR模式
  3. 除了带线的产品外,Source必须要确认使用的线材规格可以承受EPR模式,藉由发送Discover ID Request,确认线材规格有支持EPR模式,且可承受最大电压为50V、电流为5A。
  4. 若以上确认都没问题,接着Source 会传送Data Object中设定为Enter Succeeded的EPR_Mode信息给Sink,此时成功进入EPR模式并进入下一阶段步骤

图3:EPR_Mode讯息(取自 PD 3.1 Spec)

PD Negotiate in EPR Mode

  1. Source发送EPR_Source_Capabilities宣告EPR模式中供电能力
  2. Sink依照需求选择PDO,填入EPR_Request中并传送给Source
  3. 当Source确认可满足要求后回传Accpet,并在调整好供电状态后,再传送PS_RDY完成这一次的沟通

在EPR模式中Source会侦测CC状态,闲置过久Source会发起Hard Reset,导致EPR模式中断,因此Sink每隔一段时间要传送EPR_KeepAlive 信息以维持在EPR模式中,当Source收到此信息会响应GoodCRC与EPR_KeepAlive_Ack,且重置计时。

Exit EPR Mode

Source / Sink可能因为各种因素,使的任何一方想要回到SPR模式,但在此之前,必须先将电压下降到至少定电压20V,方法有如下两种:

  1. Source 发送EPR_Source_Capabilities重新沟通,但其中宣告不包含EPR PDO
  2. Sink发送EPR_Requst,并在内容中设定只要求SPR PDO ,亦即不包含EPR PDO

上述两个动作任一完成后,电压应下降到20V或者更低,此时Source/Sink任一方都可发起EPR_Mode并将信息中Data Object中设定为Exit,表示要离开EPR模式,当任何一方发出这个信息后,Source需在tFirstSourceCap参数时间内送Source Capabilities,以重新建立PD Contract ,并回到SPR模式。

图4 : EPR模式范例流程示意图  (中间省略GoodCRC )

Type-C cable and Connector更新

目前"Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification"更新到2.1的版本,更新的重点也是把EPR的功能加进这次的规格里,根据Spec的说明各种速度都可以支持EPR的功能。

表5 : Cable类别 (取自 Type-C Cable and Connector Spec)

EPR Cable

  1. EPR的线缆是必须含有E-Marker来宣告产品的能力。
  2. E-Marker必须把EPR Mode Capable bit做设定并且须宣告支持50 V和5 A。
  3. EPR的线缆最小的工作电压必须达到53.65 V。

经由一些实验得知,在以下的情况下Vbus的脚位上会有比较明显的毁损:

Source 电流附载突然移除时,电压会急速变化。

Sink 接收端的Vbus脚位在长时间处于高电压的状态下。

Cable 

a.    Vbus在微秒内持续震荡。

b.    0.1~1 微秒内,发生电流附载突然移除会导致IR的电压突然下降。

结论

USB-IF近年来持续的研拟并推出新方案,使PD功能更加完善。这一次透过EPR模式扩展规格,使这项技术可以更广泛的被应用在各类型的产品上,但也因为提供更高瓦数的充电方式,使规范对于EPR模式相较于以往PD3.0有较多的限制,包含EPR模式允许使用的电压选择与以往不同,少了选择性支持的弹性空间,并且产品必须导入EPR模式的运作方式等等,为的是在扩充功能的同时,更严谨的审视安全性并且提升产品间的兼容性,因此未来将要导入的产品,也需要更谨慎评估与应用这项功能。

参考文献

USB Type-C® Cable and Connector Specification Revision 2.0

USB Power Delivery Specification Revision 1.0 Version 1.2

USB Power Delivery Specification Revision 2.0 Version 1.3

USB Power Delivery Specification Revision 3.0 Version 2.0

作者

GRL台湾测试工程师 张文馨 Cindy Chang

毕业于国立成功大学材料所。具三年多的Power Delivery相关测试经验,熟悉Thunderbolt PD、USB-IF PD Compliance、QC (Qualcomm Quick Charge) 等测试规范。目前在GRL台湾负责PD测试,乐于协助客户PD方面的问题,以顺利取得认证。

责编:Luffy Liu

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