USB Battery Charging 1.2 測試介紹

Granite River Labs, GRL
Jimmy Lin 林致均

－USB Type-C® 產品進行 USB-IF 認證，需要測試 BC1.2 嗎？

目前USB-IF協會規定，只要有支援BC 1.2，就必須進行且通過BC1.2測試。例如當紅的USB-C充電器是使用USB Type-C母頭，必須支援BC1.2，過認證時也必須通過BC1.2測試。

BC 1.2 簡介

Battery Charging 1.2，簡稱 BC1.2，為 USB-IF 協會在 2010 年 10 月所發布的規範。基於當時 USB 2.0 的 Vbus 供電，最大能供給電流為 500mA，對於攜帶式裝置，如手機，充飽電需要很長的時間。BC1.2 定義可攜式裝置在連接到 USB 主機或集線器上，最大能汲取 1500mA（相對於 USB 2.0 的 3 倍）電流來進行充電，也就是只要原先 1/3 的時間就可以完成充電。

BC 1.2 主要是藉由 USB 的 D+ 和 D- 進行 BC1.2 偵測，可攜式裝置與 USB 主機或集線器兩者需都支援 BC1.2，完成並確定支援 BC1.2 偵測後，再由 Vbus 提供 1500mA 電流來進行充電。

充電能力比較

用支援 BC1.2 的手機為例，連接到標準 USB3 筆電（SDP*2），以及支援 BC1.2 的 USB3 筆電
（CDP*3），充電能力有何差異？

手機在連接到標準 USB3 筆電（不支援 BC1.2），最大所能汲取的電流為 900mA。

• 手機在連接後，未配置（Unconfigured），未進入 Suspend 的狀態，最大可汲取電流為 100 mA。
• 手機在連接後，已配置（Configured），未進入 Suspend 的狀態，最大可汲取電流為 900 mA（900 mA for USB 3.2, 500mA for USB 2.0）。
• 手機在連接後，已配置（Configured），且進入 Suspend 狀態，最大可汲取電流為 2.5 mA。

而手機接上支援 BC1.2 的 USB3 筆電，就能在未配置的狀況下，汲取最大電流 1.5 A。

• 註 1：但特別注意的是，若可攜式裝置的電池處於 Dead 或 Weak 的狀態，根據規範，在未配置的情況下，最大汲取電流為 100 mA。（電池的 Weak 狀態為最低限能啟動裝置的狀態，而電池的 Dead 狀態為不能啟動裝置的狀態）
• 註 2：SDP（Standard Downstream Port）為不支援 BC1.2 的標準埠
• 註 3：CDP（Charging Downstream Port）為支援 BC1.2 的標準埠

常見的 BC 1.2 種類

一般的 USB 標準下接埠，Vbus 可提供 500mA（USB2.0）或 900mA（USB 3.2），BC1.2 充電埠則可以提供 1.5A 的充電。BC1.2 充電埠又可分為支援 USB Data 的充電下接埠 CDP，與專用充電埠  DCP。

• CDP（Charging Downstream Port 充電下接埠）：具有更強充電能力的 USB Port。它具有 USB 資料傳輸，且能供給 BC1.2 可攜式裝置最大電流為 1.5 A。
• DCP（Dedicated Charging Port 專用充電埠）：是沒有 USB 資料傳輸功能的 CDP，它可以提供給 BC1.2 可攜式裝置 4.75V~5.5V 的電壓及 1.5A 的充電電流。DCP 會將其 D+和 D-間跨接電阻 R。
• ACA（Accessory Charger Adaptor）：ACA 具有一個 Charger Port 連接充電器，一個 OTG Port 連接可攜式裝置，及一個 Accessory Port 連接其他裝置。ACA 使得可攜式裝置在充電的同時，也能連接上其它的裝置。
• ACA-Dock：ACA-Dock 具有一個 Upstream Port（為 Micro-A plug），一個以上或沒有 Downstream Port。可攜式裝置連接到 ACA-Dock Upstream Port 可以汲取最大 1.5 A 的電流。ACA 和 ACA-Dock 最大的區別在於ACA 有支援 OTG Port 能連接作為 A-Device 或 B-Device 的可攜式裝置。

SDP、CDP 與 DCP 比較

表 1

判定支援 BC1.2 充電 5 步驟

我們用支援 BC1.2 的手機為例，手機要如何知道自己現在是接上一個 SDP 或是支援 BC1.2 的 CDP 或 DCP 呢？以下為簡易的流程圖：

圖 1

圖 2

1. VBUS Detect：

手機接上 USB 充電埠，當手機偵測到 Vbus 電壓，大於內部的有效電壓閥值，則表示手機接上一個有效的電路。

2. Data Contact Detect（DCD）：

手機偵測連接上充電埠是否有支援，手機在 D+ 上輸出電流（IDP_SRC），然後檢測在 D-上電壓值，來確認 D+/D- 接腳是否成功連接。由於手機並沒有被要求一定要支援 DCD，因此產生另一種機制來做判定： 手機會等一段時間（TDCD_TIMEOUT）後，進入步驟 3 偵測。DCD 的好處是，在判斷成功連接後，可立即進入步驟 3 偵測，省去等待的時間。

3. Primary Detection：

手機偵測連接上充電埠是否有支援 BC1.2，也就是偵測接上的是 SDP 或是 CDP/DCP。手機會在 D+上提供一個電壓（VDP_SRC），然後比較 D-上的 VDM與 VDAT_REF 電壓。

1. 若 VDM大於 VDAT_REF，則可能是連接上 CDP 或 DCP，繼續步驟 4 偵測。
2. 若 VDM小於 VDAT_REF，則是接上了 SDP，結束判斷。

4. Secondary Detection：

二次偵測要確定手機接上的 BC1.2 充電埠是否具備 USB Data 功能（DCP or CDP）。手機在 D-上提供一個電壓（VDM_SRC），然後比較 D+上的電壓 VDP 與 VDAT_REF 電壓。

1. 若 VDP 大於 VDAT_REF，則此時連接上的是 DCP
2. 若 VDP 小於 VDAT_REF，則此時連接上的是 CDP

5. ACA Detection：

針對可攜式裝置有 Micro-AB 插座，才進行 ACA Detection。可攜式裝置偵測是否接上 ACA 充電埠，並且判斷接上 ACA 為何種 Device 類型，其主要透過偵測 ID pin 上五種不同的電阻來做判斷。

接下來，將透過以下三個案例來了解 BC1.2 手機如何判斷接上 SDP, CDP, 或 DCP

案例（一）BC1.2 手機接上 SDP 標準下接埠（不支援 BC1.2）
SDP Detection

圖 3

1. 手機 （Portable Device） 接上 SDP，偵測到接上 V_BUS （V_BUS > V_{OTG_SESS_VLD}）
2. DCD detect timeout
3. 手機在 D+ 上提供一個電壓 V_{DP_SRC} （0.5V~0.7V），經由 SDP 上的 R_{DP_DWN}（14.25~24.8kΩ） 到地，然後比較 D- 上的 V_DM 與 V_{DAT_REF} 電壓。
   
   i). 此時 V_DM =0 V，V_DM（0V）小於 V_{DAT_REF}（0.25V~0.4V），則是接上了 SDP，結束判斷。

案例（二）BC1.2 手機接上 CDP 下接充電埠
CDP Detection

Primary Detection, CDP　　　　　　　　　　　　Secondary Detection, CDP

圖 4

1. 手機接上 CDP，偵測到接上 V_BUS（V_BUS > V_{OTG_SESS_VLD}）
2. DCD detect timeout
3. Primary Detect（上圖左）：手機在 D+上提供一個電壓 V_{DP_SRC}（0.5V~0.7V），經由 CDP 上的 R_{DP_DWN}（14.25~24.8kΩ） 到地
   
   i). CDP 偵測 D+=VDP_SRC（0.5V~0.7V），然後在啟用 CDP 的 VDM_SRC （0.5V~0.7V）
   ii). 手機偵測 D-=VDM_SRC （0.5V~0.7V），大於 VDAT_REF（0.25V~0.4V），則是接上 CDP 或 DCP
   
   
4. Secondary Detect（上圖右）：手機在 D- 上提供一個電壓 V_{DM_SRC} （0.5V~0.7V）
   
   i). 此時 D+ ≈0 V，手機 DCP_DET 偵測 D+小於 V_{DAT_REF}（0.25V~0.4V），則此時連接上的是 CDP
   ii). 然後手機關閉 V_{DP_SRC} 與 V_{DM_SRC}，讓 D+和 D-都保持低電位

案例（三）BC1.2 手機接上 DCP 專用充電埠
DCP Detection

Primary Detection, DCP　　　　　　　　　　　　Secondary Detection, DCP

圖 5

1. 手機接上 DCP，偵測到接上 V_BUS （V_BUS > V_{OTG_SESS_VLD}）
2. DCD detect timeout
3.  Primary Detect （上圖左）： 手機在 D+ 上提供一個電壓 V_{DP_SRC} （0.5V~0.7V），經由 DCP 上的 R_{DCP_DAT}（<200Ω） 到 D-
   
   i. 手機偵測 D- ≈ VDP_SRC （0.5V~0.7V）電壓，大於 VDAT_REF（0.25V~0.4V），則是接上了 CDP 或 DCP（RDCP_DAT 最大壓降為 200Ω x 175μA= 0.035V）
   
   
4. Secondary Detect（上圖右）： 手機在 D-上提供一個電壓 V_{DM_SRC}（0.5V~0.7V），經由 DCP 上的 R_{DCP_DAT}（<200Ω） 到 D-，開啟 I_{DP_SINK}（25μA ~175μA）
   
   i. 手機偵測 D+ ≈ V_{DM_SRC}（0.5V~0.7V）電壓，大於 V_{DAT_REF}（0.25V~0.4V），則此時連接上的是 DCP（R_{DCP_DAT} 最大壓降為 200Ω x 175μA= 0.035V）
   ii. 然後手機開啟 V_{DP_SRC}

BC 1.2 測試內容 

BC1.2 測試是主要是確認 BC1.2 溝通正確，以及 Vbus 供電的品質，測試項目如下：

CDP 的認證測項

表 2

DCP 的認證測項

表 3

結論

在現今講求效率的時代，USB Type-C Power Delivery 可以支援高達 240W 的充電，但也相對考量到向下相容性問題，尤其是針對攜帶式裝置。BC1.2 所定義的充電埠使得可攜式裝置能汲取更多的電流，意味著能進行更快速的充電。BC1.2 也為其後的快充技術奠定了基礎。當今具有充電功能的產品也多被要求支援 BC1.2，了解 BC1.2 的基本運作原理和測試項目，能減少設計上遇到的問題，並且順利通過測試。

參考文獻

• Battery Charging Specification, Revision 1.2, March 15, 2012
• USB Battery Charging 1.2 Compliance Plan, Revision 1.2, September 30, 2013

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作者
GRL 台灣技術工程師 林致均 Jimmy Lin

現任 GRL Thunderbolt 3/4 及 USB4 認證測試工程師，具四年的高頻測試經驗，熟悉 Thunderbolt、USB 的測試規範及其原理，協助客戶解決測試問題並且取得認證。

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 2021/06/24 AN-210624-TW