USB Type-C PD相容性測試與使用經驗分享

一位Google工程師自告奮勇測試亞馬遜網路商店上所販售的USB Type-C線纜,沒想到卻引發了一場災難。除了多數線材設計不合規範外,更當他試著將某牌USB 3.1 Type-C 線纜連接Chromebook Pixel時,因線纜裡頭的兩條電線銲接位置錯誤,導致電源導向了錯誤的地方,使得他個人的Chromebook Pixel就這樣被燒壞了。而就在今年二月,Apple緊急召回了一批針對2015 年6月之前生產因線材設計有缺陷的原廠USB Type-C線纜,該款線纜可能造成使用者的MacBook無法充電或是斷斷續續充電之狀況發生。

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充電技術不設「線」 百佳泰有線、無線充電效能實測與評鑑報告

隨著可攜式電子裝置的高度進化與普及,舉凡智慧型手機、平板電腦以及數位相機等眾多產品也不斷推陳出新;可以預期的是,電源的高度使用與隨之而來的充電需求將成為它們之間所汲汲營營試圖優化的共通點。不論你是使用有線USB接口為基礎的萬用充電解決方案,抑或採用近期發展逐漸白熱化的無線充電技術,能讓你的裝置快速充滿電量,並降低功率的耗損將成為各家廠商在研發或採購相關充電技術時的重要考量指標。

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拋開電源線束縛的USB新供電規範 – USB Power Delivery

USB在一般現代人的日常生活中,可謂是最為廣泛應用的傳輸介面之一,由於USB介面的方便易用、尺寸小且成本合理,如今在各個不同生活或工作場域都隨處可見USB的蹤跡。不論是家庭中的核心娛樂裝置–電視、個人的筆記型電腦/智慧型手機/平版裝置、辦公室中的工作用電腦/印表機、乃至於車中的車載資通訊娛樂系統,在在都仰賴USB來進行資料傳輸的任務。

除了提供方便、快速而又可靠的資料傳輸外,USB還有一個非常方便的功能,那就是透過介面的相接進行電力傳輸、也就是所謂的充電。然而,目前的USB充電最高仍只能提供到7.5瓦的電力;參考圖一我們可以瞭解到目前各個主流USB技術規格的電力傳輸限制,就現階段而言,USB 2.0規格能傳輸2.5瓦的電力(透過5V電壓提供500mA電流)、USB 3.0規格能傳輸4.5瓦的電力(透過5V電壓提供900 mA電流)、而Battery Charging 1.2則容許傳輸7.5瓦的電力(透過5V電壓提供1500 mA電流),這樣的供電規格進化雖然能符合可攜裝置如手機或MP3的充電需求,但通常需時較長,且要能滿足大尺寸並需消耗較大功率產品如螢幕顯示器或筆記型電腦的供電,則是力有未逮。

*圖一 USB電力傳輸進程(來源:USB-IF網站;”USB Power Delivery Specification 1.0”)

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百瓦供電 Power Delivery打造多樣化應用可能

為了更加普及USB在不同裝置供電上的應用、並減少電源線的配置,全新的USB Power Delivery便應運而生。USB-IF於日前宣布了這項名為USB Power Delivery(簡稱PD)的電力傳輸規範,旨在透過高達100瓦的電力傳輸量,讓各種裝置均能透過單獨一條USB線纜滿足供電需求,而縮短裝置充電時間的優點,更能優化行動應用的便利性。其基礎技術架構(如圖二所示)就是在晶片組中透過電力儲存的功能,讓電力得以暫存、並傳輸至需要電力的裝置上,同時,Power Delivery具備雙向性的特點,容許裝置間在進行資料傳輸的同時一邊充電,省時便利的作法更加提升其使用上的效率,並不再需要傳統的電源線,使電源線材統一化。

*圖二 USB Power Delivery基礎技術架構

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以圖三的實際應用情境為例作說明,在傳統的使用情境中,主機作為供電者,可以提供電力給相連接的螢幕顯示器、筆電、或硬碟;而手機和硬碟作為被供電者,則可吃主機或筆電的電;而若是螢幕顯示器和筆電都支援USB Power Delivery,則在此一技術架構下,螢幕顯示器和筆電都既可是供電者、也可以是被供電者,因此,當筆電電量不足或沒有攜帶電源供應器時,即可透過螢幕來供電,而當螢幕需要電力時,也可透過主機或筆電進行供電,這兩者也可以在其他裝置像是手機、硬碟等需要電力時,透過USB介面傳遞電力,並且與此同時仍能進行資料傳輸的任務。這樣雙向性的靈活運用,也使得USB Power Delivery此一規格成為各家廠商眾所期待的新技術應用。

*圖三 實際應用情境

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完整配套 確保技術無縫銜接

USB Power Delivery技術規格已於2012年7月由USB 3.0與USB 2.0推廣小組宣布正式制定完成,目前規格版本為1.0,可同時相容於USB 2.0與3.0兩種主流規格,目前並已放置於USB-IF網站提供下載。而為使此一技術能與既存的USB規格與整個應用生態系統得以無縫銜接,USB Power Delivery在設計上特別注意到相容性與可靠性,因此而有以下幾個特點:

  • 能完整運作於既有的USB裝置上。
  • 相容於既有符合規格的USB 2.0、USB 3.0線纜與連接器。
  • 禁止作用於非合法的線纜(如市面上常見的Y Cable)上,因此能減少風險與對裝置的潛在破壞因素。
  • 在發送端及接收端採取高效益低成本的設計架構,電源管理機制能進行不同裝置間的供電調整,藉而使工作效能最佳化
  • USB裝置間的電壓及電流值可透過既有的Vbus pin進行溝通,不需額外的繁複裝置設定。
  • 供電端(Source)與接電端(Sink)可互換角色,屬雙向式的電源供應,在電源傳輸上有高度的彈性。
  • 可共存於目前的USB Battery Charging 1.2,而不相衝突。

由此可見,USB Power Delivery在提供強大供電願景的同時,也同時關注到在實際應用層面上,是否能讓廠商在最簡易的方式、與不需耗費大量成本的狀況下,順利導入PD功能;以及使用者能否在最不需適應的狀況下,就能直接享受到PD帶來的便利體驗。

方便易用 市場普及指日可待

就市場面來看,除了Intel為主要的技術倡議者外,包括德州儀器(TI)、史恩希(SMSC)也將會是晶片此一規格的先驅者,進行USB Power Delivery晶片組的開發;而電源晶片組也將有安森美(ON Semiconductor)與恩智浦(NXP)等大廠的投入。在今年初甫落幕的美國國際消費性電子展(International Consumer Electronics Show,CES),USB-IF也已在會中展示了實際的技術應用,透過一台接電且符合USB Power Delivery功能的螢幕顯示器,可透過USB線纜供電給一台功率為65瓦的筆記型電腦,並可再與另一台螢幕相連作為延伸桌面顯示,透過這樣簡單的展示,便可讓人對其應用產生無限想像。

*圖四 USB Power Delivery標誌(左為USB 2.0,右為USB 3.0)

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在高速傳輸介面之爭中,儘管Thuderbolt擁有比USB更快速的傳輸速度,但USB在功能上另闢蹊徑針對供電能力的大躍進,創造了未來更便利的使用情境,再加上USB介面在成本上的優勢、以及整個市場消費者的高接納度,在短期內必然也將持續佔據市場主導地位。相信在不久的將來,USB Power Delivery的標誌(如圖四)也將逐步滲透各式電子產品與應用場域。

作為USB-IF所授權的指定測試實驗室,百佳泰始終追隨科技遞延的腳步實時更新技術能力與驗證深度,除了從USB Power Delivery規格推出初期便開始著手技術的瞭解、研究與掌握外,也將持續關注其他晚近規格像是SuperSpeed Inter Chip(SSIC)以及各規格未來版本的鑽研。若有任何對USB介面相關技術、測試驗證的問題,歡迎聯繫百佳泰service@allion.com