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。

就在諸多廠商競相投入USB Type-C 技術之際,市場上伴隨而來的問題也接踵而至。USB Type-C支援正/反兩面插拔、支援10Gbit/s高速傳輸、而Power Delivery(簡稱PD)的技術應用更使得電源與資料傳輸支援個別方向運作、供電率從BC 1.2版本的7.5W一躍而升至100W之特性。除了USB-IF充電規範的充電規格之外,USB Type-C也承接了傳統USB接口對Quick Charging(簡稱QC)的支援;此外,更能以Alt Mode在同一條線纜中運行影音訊號,所以其技術應用與衝突較傳統USB相對複雜許多;廠商除了在開發階段須遵循USB-IF標準規範以確保產品品質及安全設計符合規範,更需要驗證自家Type-C產品(包括線纜)在不同使用情境下,能否與其他產品順利運作(USB Type-C生態系統互用性圖示),以防止供電異常、系統停擺、甚至元件燒毀等現象發生,引發不良使用者經驗。

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USB TYPE-C生態系統互用性圖示

 

為掌握上述發燒之議題以及市場潛在風險,百佳泰設計了一連串USB Type-C產品互用性測試,望能透過模擬一般使用者操作情境,歸納總結出使用者測試經驗矩陣,並加以分析該測試結果和規格定義之關係。

 

 

百佳泰TYPE-C電力傳輸PD,Power Delivery相容性測試

()測試樣機

10種當季開測之際,具備Type-C connector功能之筆電、手機及平板與其配對之充電器

()測試治具

透過百佳泰獨自研發之Type-C數位電源量測治具模組AU-16001、 AU-16002,可省去購買昂貴且操作複雜的示波器、三用電錶等帶來之成本,快速精準量測充電物及被充電物之間的電流與電壓。

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()測試情境

為反映市場上最常見的使用方式,此測試模擬一般使用者常用之情境,總共分為四大類(參考USB TYPE-C PD測試情境圖示):

TYPE C PD Matrix USB TYPE-C PD測試情境圖示

  • 測試A:Type-C原廠裝置vs.原廠充電器
  • 測試B:Type-C原廠裝置(充電器)vs. 他牌充電器(裝置)
  • 測試C:Type-C原廠裝置vs. 他牌Type-C裝置
  • 測試D:Type-C裝置vs. 非Type-C系統

 

 

 

測試A: Type-C原廠裝置 vs. Type-C原廠充電器

Test A Matrix-1 測試A矩陣(註:白色部分為測試範圍,灰色部分則無須測試)

測試A旨在確認充電器與裝置之間的充電規範,測試步驟為下:首先,記錄原廠充電器之支援電流與電壓以定義其能力範圍;接下來確認連接充電器後的原廠裝置並觀察電流電壓是否符合充電器之規格。我們舉Google Chromebook 2015測試樣機為例,該款為USB Type-C AC to DC充電器,從充電器所記載的支援電壓電流之能力範圍為5V/12V/20V=3A;接著連接並量測充電後的原廠裝置,得到電流電壓值為20V =1.16A,並從PD protocol解譯驗證雙方溝通內容,該裝置與充電器PD溝通內容與實際量測效果吻合。

測試A總結:十家廠商之裝置對應該廠充電器相容性結果皆符合規格。

 

 

 

 

測試B: Type-C原廠裝置充電器)vs. 他牌Type-C充電器裝置)

 

 

Test B Matrix

測試B矩陣(註:灰色部分無須測試)

測試B主要為測試不同廠牌裝置和充電器之間的相容性,模擬常見的使用者將手中不同廠牌的裝置與充電器互相連接的使用情境;另外,測試B能夠協助充電器了解其和不同品牌裝置之相容性,同時也可作為品牌廠選擇充電器供應商之重要依據。

在測試B表格中,綠色方塊數值為符合使用者觀點之測試結果,充電器可對裝置供電;橘黃色方塊為不如使用者預期之測試結果,充電器無法對裝置供電。然而,綠色格子中的數值真的代表「通過測試」並符合規格嗎?橘黃色方塊代表「未通過測試」而不符合規格嗎嗎?Google工程師所撰文表示的不合格(不符合規範)線材,難道在充電器與設備端也會發生嗎?針對此問題我們將留到文章後段作更進一步之探討。

 

 

測試C: Type-C原廠裝置vs. 他牌Type-C裝置

Test C Matrix

測試C矩陣(註:灰色部分無須測試)

由於USB Type-C電源角色可互換,可定義為充電者亦或是被充電者,故測試C旨在測試兩個不同裝置之間的互用性以及其在過程中如何定義電力角色(Power Role)。此測試使用沒有E-marker的 Apple原廠USB Type-C線纜(非2015/6月出產)來連接兩項裝置,白色方塊為可以相互運作之結果,符合預期結果;橘黃色方塊為特殊現象,我們觀察到幾個現象:樂視超級手機Max(X900+)互連Google Chromebook 2015時,因樂視超級手機Max (X900+)對Google Chromebook 2015的充電電流太小了,最後停止了充電行為。而Nokia N1對應Google Chromebook、Apple MacBook MF855TA/A、Apple MacBook12三種筆電則無法互相充電;樂視超級手機(X600&X900+) 與Google Nexus (6P&5X)之間卻因為UI的調整而有充電方向的變化。

測試C矩陣掀起了一般使用者心中一個疑問,當兩個Type-C裝置相連環境下,究竟誰應做充電者,誰應作被充電者,該如何定義電力角色(Power Role)?我們在後段的個案研討將進一步探討此問題。

 

 

測試D: Type-C裝置vs. 非Type-C系統

Test D Matrix-1 測試D矩陣

BC 1.2 CDP 充電模式是一般使用手機上常見的被充電模式,同時支援資料傳輸並擁有最大7.5W的充電功率,是筆記型電腦USB埠或USB集線器必備的功能之一。

測試D旨在測試一方為USB Type-C產品與支援CDP模式的USB Type-A下行埠連結,觀察即使產品為USB Type-C接頭是否也能享有由USB Type-A帶來的CDP功能。我們以Windows的HP EliteBook Folio 9480m作為Type-A系統(Host),測試結果顯示,五種手機含小米Mi-4c、LG Google Nexus 5X、華為Google Nexus 6P、Nokia N1、ASUS ZenPad 8.0 皆可以成功地進入BC 1.2 CDP模式,不但能與Windows作業系統傳輸資料,並且同時有較大充電功率。

 

 

()測試結論

根據測試A至測試D結果總結出測試結果總表,我們發現,一個Type-C手機的裝置可能同時支援多樣充電模式,譬如小米Mi-4c 可支援DCP、CDP、TYPE-C UFP/DFP以及QC2.0四種模式,而各種模式也帶來不同的充電功率。若將Google Nexus 6P的充電器連接到不同之Type-C裝置,有的會不充電。不充電狀態雖會造成使用者之使用經驗不佳進而誤認是產品問題,然而因兩項產品充電模式互不相容,此時不充電反倒是一種符合規格的保護機制。

 

測試總表

測試結果總表

針對先前測試B與測試C之疑問,我們便可利用此測試結論而提出合理解釋。

「能否充電」不再是一個衡量產品之最佳指標,「有能力充電」或「無法充電」,有可能是因兩方充電模式相容與否的結果。一個完整的USB充電模式驗證,須將上述推論考慮進去,才能確保產品能夠與他項產品順利正常運作,並正確判斷充電結果的合理性。

 

()個案研討

1. 測試B個案研討Type-C原廠裝置充電器)vs.他牌Type-C充電器裝置)

Test B Case Study 測試B個案研討圖表

根據測試A規格表與PD protocol解譯,LG Google Nexus 5X和華為Google Nexus 6P充電器同為USB Type-C母頭並支援Type-C Current Mode以及D+ D- 短路(可用於DCP),但測試結果發現,兩種應該有相同充電行為的充電器,卻有不同結果。百佳泰分析,因為樂視Letv Max(X900+)、Letv (X600)以及Nokia N1設計較特殊,Letv X900+ & X600預設定義為Type-C為DFP; Nokia N1則是沒有定義USB Type-C的CC pin,而在USB Type-C的規範下,一個正常的VBUS供電發起首先要先進行CC pin上的電壓或電流的辨識行為,華為Google Nexus 6P充電器正確的執行了辨識而不發起供電行為,但是LG Google Nexus 5X充電器則是未經辨識就發起了供電行為,而未經辨識就發起供電行為是有可能造成Back Voltage的風險而導致損壞或故障。

對於使用者而言,上表中不充電的橘黃色方塊雖為符合規範的連接反應,

卻會造成不佳之使用者經驗;充電的綠色方塊為不正確的連接反應,使用者卻會誤以為充電才是正常的。USB Type-C 電源相容性微妙之處,在於能夠充電的不一定是正確行為;無法充電的可能才是正確的行為

 

 

2. 測試C個案研討Type-C原廠裝置vs. 他牌Type-C裝置

當兩個Type-C裝置相連環境下,究竟誰應作充電者,又誰應作被充電者?該如何定義電力角色(Power Role)?為了避免角色定義的困擾,我們在測試過程中,發現LG&華為的Google Nexus手機提供了一款易於使用、十分直觀的UI,當它接上具備電力傳輸的Type-C產品時,使用者可自由轉換設定電力角色,下圖即為使用LG Google Nexus 5X 和華為Google Nexus 6P連接時之截圖供讀者參考。

Test C Case Study

測試C個案研討圖示

測試C個案研討提供了寶貴經驗予各家製造廠商,廠商在開發產品軟體時可將類似的選擇功能特點一併考慮進去。

 

百佳泰TYPE-C相容性測試解決方案

當「能否充電」不再是衡量Type-C產品之最佳指標;當USB Type-C Power Charging著重於雙方須在正確電流與電壓上才可以相互溝通之「充電定義」;顛覆傳統思維的USB Type-C Power Charging技術,無疑需要一個完整的USB充電模式驗證方案以確保產品品質及安全。

目前USB-IF尚未發布完整的Type-C PD規格,各家產品符合協會公告規格之程度也大不相同,故在產品設計及測試上,仍有許多改善空間。在這一篇文章中,我們分享了使用者經驗矩陣結果以及分析;接下來,將會特別針對在測試時發現的USB Type-C相容性之重大問題作個案討論,請大家拭目以待。