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應(yīng)用解決方案

USB

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USB PD測(cè)試解決方案

USB PD簡(jiǎn)介

隨著市場(chǎng)上USB Type-C接口在智能設(shè)備上使用越來(lái)越廣泛，智能設(shè)備對(duì)于快速充電的需求越來(lái)越大， 但傳統(tǒng)圓孔接口會(huì)另外占用空間，并且由于充電的電壓或者電流變化會(huì)使得插頭更大。因此讓USB接口支持高功率充電成為了提高充電功率的重要手段。現(xiàn)階段基于typeC接口的快充協(xié)議多種多樣，但非手機(jī)廠家研發(fā)的主要有高通的Quick Charge 和 USB-IF協(xié)會(huì)的USB Power Delivery（USB PD）
為此，高通推出了QC充電（Qualcomm quick charge）用于進(jìn)行快充，2020年發(fā)布的最新版本QC 5 可滿足最高100W（20V 5A）的充電。
USB-IF作為管理USB標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)，推出的USB PD充電協(xié)議自然得到了不少支持，被廣泛采用在移動(dòng)設(shè)備上，尤其是輕薄筆記本。2021年，PD 3.1充電協(xié)議推向市場(chǎng)，通過(guò)提高充電最大電壓的方式，其最高功率突破PD 3.0 的100W（20V 5A），達(dá)到240W（48V 5A）。同時(shí)PD3.1 還支持了反向充電、低功耗設(shè)備充電等特性


PD發(fā)展歷史

PD1.0

最早的PD1.0技術(shù)是針對(duì)USB BC技術(shù)的整合。傳輸功率從USB BC 1.2的7.5W考慮提升到100W。可以考慮通過(guò)連接后進(jìn)行傳輸功率轉(zhuǎn)換，可選18W，36W，60W或者100W。
PD1.0采用的是傳統(tǒng)硬件（如USB typeA接口、micro USB），通過(guò)VBUS進(jìn)行PD1.0協(xié)議傳輸，使用24MHz的FSK通過(guò)cAC-Coupling耦合電容耦合到VBUS上的直流電平進(jìn)行通信。但這種方式不僅需要濾波器過(guò)濾信號(hào)防止對(duì)直流串行影響，同時(shí)還涉及到FSK信號(hào)完整性問(wèn)題等。因此這次嘗試并不被廣泛使用。

PD2.0

隨著USB typeC接口的推出，PD2.0在此基礎(chǔ)上有了專(zhuān)用的協(xié)議通信線，可以實(shí)現(xiàn)更安全高效的 協(xié)商，同時(shí)支持了DRP (dual role port) type C接口，可以在電源和負(fù)載之間進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換，進(jìn)而支持功率雙向傳輸。PD2.0真正實(shí)現(xiàn)了BUS電壓根據(jù)需求在5V，9V，15V和20V之間切換，最高功率100W的設(shè)計(jì)思路。PD2.0奠定了現(xiàn)代USB PD的技術(shù)基礎(chǔ)，是劃時(shí)代的版本。

PD3.0

PD3.0主要在PD2.0上增加了PPS（programmable power supply，可編程電源）功能，可以以20mV/step調(diào)整電壓、50mA/step調(diào)整電流，讓功率傳輸更智能化。通過(guò)這種方式，PD3.0可以與大量手機(jī)廠家的私有協(xié)議進(jìn)行同步，間接地形成統(tǒng)一。

PD3.1

PD3.1在2021年發(fā)布，主要在PD3.0上增加了EPR（Extended Power Range，擴(kuò)展功率范圍）功能，將最大功率從100W提升至240W。同時(shí)EPR范圍還支持一0.1V/step的電壓調(diào)整。

PD充電接口

PD能力的發(fā)展，不僅僅讓手機(jī)用上了USB typeC充電接口，同時(shí)數(shù)碼相機(jī)、大容量移動(dòng)存儲(chǔ)、平板電腦、筆記本、顯示器等設(shè)備都已經(jīng)支持使用PD供電。未來(lái)，更多的設(shè)備都將會(huì)使用PD充電協(xié)議作為電力輸送的端口。

實(shí)際使用USB typeC接口進(jìn)行 PD 充電時(shí)，是需要進(jìn)行一次正反面的判定的。在公口和母口進(jìn)行插入之后，設(shè)備之間將會(huì)建立起一個(gè)端到端的 type C 連接，并且通過(guò)對(duì)公口上VCONN進(jìn)行判斷，判斷是在母口的CC1線上還是在CC2線上。與VCONN連接的一根CC線將會(huì)成為對(duì)線纜內(nèi)識(shí)別芯片等設(shè)備的供電，另外一根CC線則承擔(dān)起source 和 sink之間通信的要求。

由于PD充電只會(huì)對(duì)CC線、VBUS線（即電源供電線）、地線有要求，不少的線纜廠家和設(shè)備廠家都會(huì)采用“閹割”typeC接口的方式，即省略掉高速串行線TX/RX，部分甚至省略掉USB2.0的D+/D-。這種線纜可用于充電，但是作為數(shù)據(jù)傳輸線是不合格的。因此采購(gòu)typeC線的時(shí)候需要注意。

PD充電協(xié)商過(guò)程

在typeC線纜插入時(shí)，sink通過(guò)上拉電阻Rp接入、source通過(guò)下拉電阻區(qū)分出VCONN線和CC線之后，VCONN將會(huì)對(duì)線纜上CC2的配置芯片（E-marker）進(jìn)行供電。進(jìn)行USB PD供電時(shí)，線纜上E-marker在VCONN供電后，可以向source標(biāo)明線纜功率的識(shí)別、線纜ID及制造商信息等。

E-marker不是線纜上必需的。但是如果需要傳輸電流大于3A、需要高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，才必須要求線纜上具有E-marker。因此在日常生活中購(gòu)買(mǎi)PD充電線纜時(shí)，需要了解清楚線纜的特性以及是否有E-marker。
當(dāng)電纜的連接建立起來(lái)之后，PD協(xié)議的SOP通訊就開(kāi)始在CC線上進(jìn)行。Source和sink之間的通信類(lèi)似如下：
1、sink申請(qǐng)獲得source的能力數(shù)據(jù)。
2、source提供它的能力數(shù)據(jù)信息。
3、sink從source提供的能力數(shù)據(jù)信息中選出適當(dāng)?shù)碾娫磁渲脜?shù)并發(fā)出相應(yīng)的請(qǐng)求。
4、source接受請(qǐng)求并將總線電壓修改成相應(yīng)的參數(shù)。在總線電壓變化期間，設(shè)備端的電流消耗會(huì)保持盡可能地小。source提升總線電壓的過(guò)程是按照定義好的電壓提升速度來(lái)進(jìn)行的。
5、總線電壓達(dá)到最后的數(shù)值以后，source會(huì)等待總線電壓穩(wěn)定下來(lái)，再發(fā)送出一個(gè)電源準(zhǔn)備好信號(hào)。到了這時(shí)候，sink就可以增加其電流消耗了。
6、當(dāng)sink希望總線電壓降低的時(shí)候，同樣的通訊過(guò)程也會(huì)發(fā)生。在總線電壓下降期間，source會(huì)激活一個(gè)分流電路，通過(guò)主動(dòng)的總線放電使總線電壓快速降低。達(dá)到額定值以后，充電端會(huì)等待一段稍長(zhǎng)的時(shí)間讓總線電壓穩(wěn)定下來(lái)，然后再送出一個(gè)電源準(zhǔn)備好信號(hào)。
source和sink之間進(jìn)行通信時(shí)，會(huì)先計(jì)算CRC-32，之后用4b5b編碼方式，最后使用滿足直流平衡的雙相標(biāo)記編碼（ BMC ）發(fā)送數(shù)據(jù)包。

PD一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

       目前PD一致性測(cè)試最新標(biāo)準(zhǔn)為USB IF協(xié)會(huì)于4月份發(fā)布的USB Power Delivery Compliance Test Specification。該標(biāo)準(zhǔn)提供了相關(guān)的測(cè)試項(xiàng)目用于測(cè)試PD，使其滿足 Specification 的要求
       針對(duì)PD3.1，有如下圖的測(cè)試項(xiàng)目：

PD一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

由于PD測(cè)試涉及到多種進(jìn)入模式以及對(duì)進(jìn)入對(duì)UUT的設(shè)置。因此USB-IF協(xié)會(huì)建議使用集成式的PD測(cè)試儀用于進(jìn)行PD一致性測(cè)試。
目前協(xié)會(huì)推薦的有如下三款：
其中，力科作為老牌的協(xié)議分析設(shè)備廠商，擁有非常強(qiáng)大的儀器制造能力和協(xié)議分析軟件。其中M310e協(xié)議分析儀不僅可以作為PD一致性測(cè)試硬件，同時(shí)支持10Gb/s速率下USB 3.2 的高速解碼、流量生成、Display Port 的視頻解碼等功能。
進(jìn)行USB PD 3.1測(cè)試時(shí)，使用配套電源以及負(fù)載，M310e可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)PD 3.1 合規(guī)性測(cè)試要求全自動(dòng)化測(cè)試測(cè)試
另外，物理層測(cè)試時(shí)需要準(zhǔn)備一個(gè)任意波形發(fā)生器用于加擾測(cè)試，以及示波器用于對(duì)加擾波形的校準(zhǔn)。

PD 快速角色切換測(cè)試

部分PD設(shè)備同時(shí)具有雙角色身份（供電方和受電方）的作用，在連接產(chǎn)生變化時(shí)，需要快速切換角色，保證其他設(shè)備的工作正常。

PD快速角色切換介紹

如部分筆記本設(shè)備在連接帶供電的HUB使用時(shí)，可以通過(guò)墻上插座進(jìn)行PD充電，以及為HUB上面的設(shè)備提供工作電源。此時(shí)筆記本處于受電方角色，HUB處于供電方角色。
當(dāng)從墻上拔下HUB的電源時(shí)，筆記本需要為HUB供電，保證連接于HUB上的設(shè)備保持不斷電狀態(tài)正常工作。此時(shí)筆記本處于供電方角色，HUB處于受電方角色。為了保證這個(gè)過(guò)程的可持續(xù)進(jìn)行，需要進(jìn)行快速角色切換測(cè)試

力科PD快速角色切換測(cè)試套裝

LeCroy支持Voyager M310P&M&310e測(cè)試平臺(tái)的所有必需的FRS合規(guī)測(cè)試。支持快速角色交換(FRS)的電源交付3.1芯片組和最終產(chǎn)品需要通過(guò)表1中列出的符合性測(cè)試。

PD debug 測(cè)試

示波器+type-C夾具+探頭組

USB PD 一致性測(cè)試只能測(cè)試出是否通過(guò)PD 一致性測(cè)試功能。但在測(cè)試之后，仍然需要判斷出來(lái)哪個(gè)步驟上出現(xiàn)了錯(cuò)誤。這時(shí)候就需要針對(duì)整個(gè)PD供電過(guò)程中的電壓、電流、CC線協(xié)議進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)行觀測(cè)?？梢杂糜谟^察整個(gè)協(xié)商過(guò)程的問(wèn)題所在。

示波器+PD觸發(fā)/解碼軟件

若需要更強(qiáng)大的PD協(xié)議波形識(shí)別，可以選用示波器添加PD觸發(fā)條件，并對(duì)整個(gè)通信的波形進(jìn)行觀察?？梢詫?duì)波形進(jìn)行觸發(fā)、解碼、測(cè)量、物理測(cè)量（眼圖功能）。對(duì)工程師分析失效過(guò)程提供優(yōu)秀的工具。

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