【技術文章】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 充電器及使用 USB Type-C 母頭且支援 Power Delivery 的筆電,必須支援 BC1.2,過認證也必須通過 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

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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:

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圖 1

 

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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。

a) 若 VDM大於 VDAT_REF,則可能是連接上 CDP 或 DCP,繼續步驟 4 偵測。
b) 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。

a) 若 VDP 大於 VDAT_REF,則此時連接上的是 DCP
b) 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

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圖 3

 

a. 手機 (Portable Device) 接上 SDP,偵測到接上 VBUS (VBUS > VOTG_SESS_VLD

b. DCD detect timeout

c. 手機在 D+ 上提供一個電壓 VDP_SRC (0.5V~0.7V),經由 SDP 上的 RDP_DWN(14.25~24.8kΩ) 到地,然後比較 D- 上的 VDM 與 VDAT_REF 電壓。

i). 此時 VDM =0 V,VDM(0V)小於 VDAT_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

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Primary Detection, CDP            Secondary Detection, CDP

圖 4

 

a. 手機接上 CDP,偵測到接上 VBUS(VBUS > VOTG_SESS_VLD

b. DCD detect timeout

c. Primary Detect(上圖左):手機在 D+上提供一個電壓 VDP_SRC(0.5V~0.7V),經由 CDP 上的 RDP_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

d. Secondary Detect(上圖右):手機在 D- 上提供一個電壓 VDM_SRC (0.5V~0.7V)

i). 此時 D+ ≈0 V,手機 DCP_DET 偵測 D+小於 VDAT_REF(0.25V~0.4V),則此時連接上的是 CDP
ii). 然後手機關閉 VDP_SRC 與 VDM_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

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Primary Detection, DCP            Secondary Detection, DCP

圖 5

 

a) 手機接上 DCP,偵測到接上 VBUS (VBUS > VOTG_SESS_VLD

b) DCD detect timeout

c) Primary Detect (上圖左): 手機在 D+ 上提供一個電壓 VDP_SRC (0.5V~0.7V),經由 DCP 上的 RDCP_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)

d) Secondary Detect(上圖右): 手機在 D-上提供一個電壓 VDM_SRC(0.5V~0.7V),經由 DCP 上的 RDCP_DAT(<200Ω) 到 D-,開啟 IDP_SINK(25μA ~175μA)

i. 手機偵測 D+ ≈ VDM_SRC(0.5V~0.7V)電壓,大於 VDAT_REF(0.25V~0.4V),則此時連接上的是 DCP(RDCP_DAT 最大壓降為 200Ω x 175μA= 0.035V)
ii. 然後手機開啟 VDP_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

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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。

 

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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 2021/06/24 AN-210624-TW