【技術文章】USB-IF 最新 PD 規範 – PD 3.1 規格介紹

Granite River Labs, GRL
Cindy Chang 張文馨

 

          繼 PD 3.0 之後,2021 年 5 月 USB-IF 在 Power Delivery 加入了新的規格,並發表 PD 3.1 規範 (USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.0),以下內容皆以 PD 3.1 Spec 簡稱。

          新的規範中加入 EPR (Extend Power Range) 功能,擴展 PD 3.0 供電最大瓦數 100W 的限制,增加到 240W (48V 5A) ,並在文件中對其供電要求與行為加以定義,以下章節將由 PD 3.1 供電規格開始、並介紹 EPR這個新功能。

 

» PD 3.1 供電規格

          PD 3.1 Spec 中,將原先 PD 3.0 定義的供電規格納入 SPR (Standard Power Range) ,SPR 規格可參考先前我們推出的 技術文章:Power Delivery 的源起與規格 中的表 3,在 PD 3.1 Spec 中改以 SPR PDO 與 SPR APDO 稱之,其供電規格要求與上限 100W 規則皆不變。另外新增了 EPR 選配功能,指最大供電瓦數達 100W~240W 的產品,其設定須滿足表 1 之規範。

-EPR PDO 在目前規範中包含:

1. Fixed PDO:定電壓輸出,在 EPR 模式中,Fixed PDO 指電壓 >20V 的規格,包含 28V、36V 以及 48V 三個選項。

2. AVS (Adjustable Voltage Supply) APDO:在 EPR 模式中,電壓可以在一定範圍區間內調整輸出,範圍由最低 15V 到最高有 28V、36V 和 48V 三種視瓦數而定 (表 2) 。

AVS 類似 PPS 功能,差異是 AVS 不支援 Current Limit 操作,且以 100 mV 為單位步階調整輸出電壓
(PPS 則是 20mV) 。

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表 1:支援 EPR 產品供電規格規範(資料來源參考自 PD 3.1 Spec)

 

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表 2:AVS 電壓範圍 (取自 PD 3.1 Spec)

 

以下舉兩個例子說明,協助大家理解表格。

1. 輸出最大 140W,須滿足以下條件:

  • 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 須滿足條件如下(表 1 中第二列瓦數區間):

  • 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

* 看到這裡可能各位會疑惑,為什麼只有 AVS APDO 的表示法和其他不一樣,參考下表 3 會發現欄
位中沒有描述最大電流的地方,反而是以瓦數表示。這是因為 AVS 操作電流會受限於瓦數,隨當
下操作電壓而改變,所以電流並非定值,因此應參考瓦數而非電流。

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表 3: AVS APDO 格式 (取自 PD 3.1 Spec)

 

          其中 144W 例子中 AVS APDO 對於 28.8V~36V 操作電壓下的電流條件,可以參考下圖 1 會較容易理解,圖中藍色區域表示 AVS 可操作範圍,其中又可分為兩區加以說明:

1. 黃色標示的 A 區是在不超過最大瓦數前提下,可以操作在 5A 的電壓範圍,即表 1 中第一個敘述–
15V~28.8V@5A。

2. 綠色標示區間 B,則是受限於瓦數限制,操作電流要視當下電壓而定,因此以公式描述–28.8V~36V@(144/AVS Voltage)A。

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圖 1: AVS 供電模式示意圖(取自 PD 3.1 Spec 並於圖上另加註解協助說明)

 

          值得注意的是,表 1 中 N/A 的部分嚴格規定為不可支援,即 140W 以下產品不可支援 36V 與 48V、
180W 以下產品不可支援 48V。

          另外有一類型產品設計為 Shared Capacity Charger,指其產品上的可供電瓦數是共享的。當部分資源已被使用,剩下埠可使用瓦數為總瓦數扣掉已被使用的部分,再做分配,此時實際可用瓦數稱為 Equivalent PDP Rating,設定條件參考整理如下表(表 4)。

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表 4:支援 EPR 產品在 Shared Capacity Power 供電模式條件(資料來源參考自 PD 3.1 Spec)

 

舉一產品設計為例,輸出總瓦數最大為 250W,2 埠單獨使用時分別可以支援到 160W:

  • 單獨使用規格應為 (5V@3A~5A、9V@3A~5A、15@3A~5A、20V@5A、28V@5A、36V@4.44A、15V~36V@160W)。
  • 當其中一埠已使用 100W,則另一埠 Equivalent PDP Rating 為 150W,此時供電條件如下: 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,供電能力會宣告在 Source_Capabilities 中,同樣的概念導入 EPR 模式,因此在 PD 3.1 Spec 中新增了 EPR_Source_Capabilities,支援 EPR 供電產品將其規格表示在此訊息中。

          如下取自 PD 3.1 Spec 的示意圖,Data Object 前 7 組填入的是 SPR PDO 內容,且內容需要與
Source_Capabilities 一樣,若 SPR PDO 不足 7 組,則寫入 0 補滿。

          第 8 組開始寫入 EPR PDO 內容,最多可以填到第 13 組,寫入順序需由 Fixed PDO 電壓由低到高,而後接著一組 AVS APDO。

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圖 2:EPR_Source_Capabilities 格式(取自 PD 3.1 Spec)

 

» EPR 模式流程

          進入 EPR 模式供電之前,Source/Sink 需要先建立 Explicit PD Contract,在這個過程中,雙方分別在 Source Capabilities 與 Request 訊息中宣告自己是否有支援 EPR 模式,作為後面若要進 EPR 模式前檢查雙方能力的參考依據。進入 EPR 模式需要透過一溝通與檢視的過程,步驟條列式整理如下:

-Enter EPR Mode

1. Sink 發送 EPR_Mode 訊息,其中 Data Object 中設定為 Enter,表示要進 EPR 模式的溝通
(EPR_Mode 訊息依其中內容設定,表示不一樣的用途,可參考圖 3)。

2. Source 檢查雙方都有支援 EPR 模式,並且當下狀態有能力支援 EPR 模式供電。傳送設定為 Enter
Acknowledged 的 EPR_Mode 訊息,表示 Source 目前狀態允許進 EPR 模式。

3. 除了帶線的產品外,Source 必須要確認使用的線材規格可以承受 EPR 模式,藉由發送 Discover ID
Request,確認線材規格有支援 EPR 模式,且可承受最大電壓為 50V、電流為 5A。

4. 若以上確認都沒問題,接著 Source 會傳送 Data Object 中設定為 Enter Succeeded 的 EPR_Mode 訊息給 Sink,此時成功進入 EPR 模式並進入下一階段步驟。

 

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圖 3:EPR_Mode 訊息(取自 PD 3.1 Spec)

 

-PD Negotiate in EPR Mode

1. Source 發送 EPR_Source_Capabilities 宣告 EPR 模式中供電能力。

2. Sink 依照需求選擇 PDO,填入 EPR_Request 中並傳送給 Source。

3. 當 Source 確認可滿足要求後回傳 Accpet,並在調整好供電狀態後,再傳送 PS_RDY 完成這一次的
溝通。

在 EPR 模式中 Source 會偵測 CC 狀態,閒置過久 Source 會發起 Hard Reset,導致 EPR 模式中斷,因此 Sink 每隔一段時間要傳送 EPR_KeepAlive 訊息以維持在 EPR 模式中,當 Source 收到此訊息會回應 GoodCRC 與 EPR_KeepAlive_Ack,且重置計時。

 

-Exit EPR Mode

Source / Sink 可能因為各種因素,使的任何一方想要回到 SPR 模式,但在此之前,必須先將電壓下降到至少定電壓 20V,方法有如下兩種:

1. Source 發送 EPR_Source_Capabilities 重新溝通,但其中宣告不包含 EPR PDO。

2. Sink 發送 EPR_Requst,並在內容中設定只要求 SPR PDO ,亦即不包含 EPR PDO。

上述兩個動作任一完成後,電壓應下降到 20V 或者更低,此時 Source/Sink 任一方都可發起 EPR_Mode 並將訊息中 Data Object 中設定為 Exit,表示要離開 EPR 模式,當任何一方發出這個訊息後,Source 需在 tFirstSourceCap 參數時間內送 Source Capabilities,以重新建立 PD Contract ,並回到 SPR 模式。

 

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圖 4 : EPR 模式範例流程示意圖 (中間省略 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,更新的重點也是把 EPR 的功能加進這次的規格裡,根據 Spec 的說明各種速度都可以支援 EPR 的功能。

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

 

  • EPR Cable

(1) EPR 的線纜是必須含有 E-Marker 來宣告產品的能力。

(2) E-Marker 必須把 EPR Mode Capable bit 做設定並且須宣告支援 50 V 和 5 A。

(3) EPR 的線纜最小的工作電壓必須達到 53.65 V。

 

經由一些實驗得知,在以下的情況下 Vbus 的腳位上會有比較明顯的毀損:

(1) Source: 電流附載突然移除時,電壓會急速變化。

(2) Sink: 接收端的 Vbus 腳位在長時間處於高電壓的狀態下。

(3) Cable:

a. Vbus 在微秒內持續震盪。
b. 0.1~1 微秒內,發生電流附載突然移除會導致 IR 的電壓突然下降。

 

» 結論

          USB-IF 近年來持續的研擬並推出新方案,使 PD 功能更加完善。這一次透過 EPR 模式擴展規格,使這項技術可以更廣泛的被應用在各類型的產品上,但也因為提供更高瓦數的充電方式,使規範對於 EPR 模式相較於以往 PD3.0 有較多的限制,包含 EPR 模式允許使用的電壓選擇與以往不同,少了選擇性支援的彈性空間,並且產品必須導入 EPR 模式的運作方式等等,為的是在擴充功能的同時,更嚴謹的審視安全性並且提升產品間的相容性,因此未來將要導入的產品,也需要更謹慎評估與應用這項功能。

 

 

參考文獻

  • 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
  • USB Power Delivery Specification Revision 3.1 Version 1.0

 

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作者
GRL 台灣技術工程師 張文馨 Cindy Chang

畢業於國立成功大學材料所。
具三年多的 Power Delivery 相關測試經驗,熟悉 Thunderbolt PD、USB-IF PD Compliance、QC (Qualcomm Quick Charge) 等測試規範。目前在 GRL 台灣負責 PD 測試,樂於協助客戶 PD 方面的問題,以順利取得認證。

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                         發佈日期 2021/06/22 AN-210622-TW