2014年,在支持正/反两面插拔的USB-C发表之后,USB Type-C形式逐渐成为普遍使用的传输接头。2015年,Thunderbolt也开始采用与USB Type-C形式同样的接头。因应USB-C和Thunderbolt接口的普及以及传输速度的提升,相关设备对功率的要求也有进一步的增加。其中,Power Delivery(简称PD)的技术使得电源传输支持个别方向运作,供电率从BC 1.2版本的7.5W一跃而升至100W。USB-IF于2021年发布了「USB Power Delivery Specification Revision 3.1」之后,新增28V、36V和48V电压范围,使最大供电功率分别达到140W、180W和240W。

USB-C与Thunderbolt的电源供给装置和受电装置之间,有相同的协议。受电装置可提供允许以及现在需要的电压及电流(PDO,Power Data Object)。同理,供电装置也会透过协议提供能够供应的PDO。

有鉴于此,相关认证机构也明确的定义了电源相关的规范以及测试流程,而相关测试的核心设备又以多功能电表和直流电子负载为主。以下会针对USB Power Delivery及Thunderbolt使用到直流电子负载之测试项目进行来说明与做及比较(以20V/100W以内的PD 2.0为主要讨论范畴)。

Thunderbolt 电源规范量测说明

量测用治具,建议下列择一使用,以利量测进行:

  1. Wilder USB 3.1 Type-C power delivery coupon (Part No. 640-0760-000)
  2. LUXSHARE-ICT USB power delivery coupon (Part No. TF21-215G)

测试仪器及设备之规格要求

主要测试设备包含直流电源供应器、直流电子负载、多功能数字电表以及PD Controllers。

Thunderbolt 環境圖

1. 直流电源供应器要求符合以下规格

因此规范中建议使用Keysight N6705C搭配N6752A模块。

N6705C DC Power Analyzer

数据源:https://www.keysight.com/us/en/product/N6705C/dc-power-analyzer-modular-600-w-4-slots.html

2. 直流电子负载

因此规范中建议使用Chroma 6312A搭配63101A模块

Chroma 6312A

数据源:https://www.tequipment.net/Chroma/6312A/Electronic-Loads/

3. 多功能数字电表

因此规范中建议使用Keysight 34465A。

34465A Digital Multimeter, 6 ½ Digit, Truevolt DMM

数据源:https://www.keysight.com/us/en/support/34465A/digital-multimeter-6-5-digit-truevolt-dmm.html

4. PD Controllers

没有特别指定。

须使用直流电子负载进行测试的项目

1. Power Capacity

Power Capacity会使用到多台电子负载进行定电流及定功率模式的抽载测试。

针对DUT下每一个Port所支持的PDO进行所有的排列组合并测试,同时包含VBUS与VCONN,确认电压没有低于规范。另外,依据不同角色(Host/ Self powered device),会有不同的抽载电流设定。

2. Current Limit

Current Limit会使用到1台电子负载进行定电流阶梯扫描模式抽载测试。

依照特定条件,分别针对单一Port的VBUS(所支持的PDO)与VCONN(CC1/CC2)透过阶梯式的定电流模式进行扫描测试,以确认每一个Port的过电流保护点。

3. Short Protection

Short Protection会使用到1台电子负载进行短路模式测试。

依照设定条件,分别针对单一Port的VBUS与VCONN(CC1/CC2),进行一段时间的短路模式测试,以确认每一个Port的短路保护功能。

4. Over Power Protection

Over Power Protection会使用到一台有定功率阶梯扫描模式的电子负载进行抽载测试。

若DUT某Port之PDO有符合设定条件才进行测试。针对这些Port的VBUS,透过阶梯式的定功率进行扫描测试,以确认每一个Port的最大允许功率是否符合额定值。

介绍Thunderbolt电力传输测试流程及规范后,接下来百佳泰会再继续说明USB的部分,并进一步比较两者差异。

USB Power Delivery测试规范量测说明

量测以USB-IF协会指定之QuadraMAX进行,QuadraMAX可视为多功能整合的一体机,而PD测试会使用到的功能包含其中的可程序化直流电源供应器、电子负载、数字电表及PD Controllers。

QuadraMAX设备

直流电子负载4大测试项目

以下列出必须使用直流电子负载进行测试的项目:

USB Power Delivery 环境图

1. Load Test

针对DUT下每一个Port所支持的PDO从最低电压依序增加,直到每个Port都达到其PDO所支持的最高电压,每个阶段都对每个Port的VBUS进行电流抽载测试,抽载电流以该PDO所允许之最大额定电流的25%为单位增加,直到满载,确认每个测试条件下,其VBUS电压没有低于规范。

2. Capabilities Test

针对DUT下每一个Port所支持的PDO进行所有的排列组合,每个组合都对每个Port的VBUS进行电流抽载测试,抽载电流以该PDO所允许之最大额定电流的25%为单位增加,直到满载,确认每个组合的测试,其VBUS电压没有低于规范。

3. Hard Reset Test

针对DUT的每一个Port所支持的最高电压之PDO进行VBUS的最大允许电流抽载,抽载电流以所允许之最大额定电流的25%为单位增加,直到满载后,传送Hard Reset讯号,需在规范时间内回到指定电压,以确认此功能正常。

4. Over Current Test

针对DUT的每个Port所支持的每个PDO进行VBUS过电流保护测试,抽载电流以该PDO所允许之最大额定电流的25%为单位增加,直到满载后,再改以小刻度微幅增加,并记录发生保护的电流值,以确认过电流保护功能正常。

USB PDThunderbolt抽载测试比较

比较两者测试规范,差异最大的4点如下:

  1. USB Power Delivery针对VBUS的抽载测试中,不需要同时对VCONN抽载。
  2. USB Power Delivery测试使用QuadraMAX与通用的USB Cable进行,意即没有电压Remote Sensing机制。
  3. Thunderbolt的抽载测试中,会有VBUS与VCONN同时抽载的需求。
  4. Thunderbolt的抽载测试中,没有整合性的仪器及自动化流程。

综合上述,USB PD的部分,在抽载测试的电压量测上,无法实现电压Remote Sensing。为了补偿Cable的直流等效电阻在抽载时电流所造成的电压量测误差,每一次测试之前都必须先使用QuadraMAX量测Cable直流等效电阻,并且将此阻值回填至系统中,作为电压量测误差的补偿依据。但实际使用上却无法校正此等效直流电阻因为温度系数所造成的误差。然而,为了实现Thunderbolt的抽载测试,必须具备多台设备以及繁琐的人工操作,在时间、空间及金额上的成本累积起来都相当可观。

产品在开发阶段,除了须遵循USB-IF标准,以确保产品质量及安全设计符合规范,厂商更需要验证自家Type-C产品(包括线缆)在不同使用情境下,能否与其他产品顺利运作,以防止供电异常、系统停摆、甚至组件烧毁等现象发生,引发不良使用者经验。

百佳泰提供可应用于Thunderbolt及USB PD的测试设备,可同时实现整合及自动化的系统,以降低以上之量测成本。如果有兴趣想进一步了解,可与我们联系cn_service@allion.com

*Thunderbolt™是Intel® Corporation的注册商标

*USB、USB4™、USB-C®、USB Type-C®和USB-IF是USB Implementers Forum的注册商标