是德科技：如何进行 Type-C™ USB 供电测试

[{"insert":"针对设计和测试 USB Type-C 所面临的挑战和相应解决方案，是德科技推出了五份测量简报，本文便是其中之一。这套简报涵盖的主题包括： \n– 电缆和连接器 \n– 供电 \n– 发送/接收 \n– 仿真与测量相互关联 \n– ALT（交替）模式（DisplayPort、Thunderbolt、MHL）\n \n概述 \nUSB Type-CTM 是一种突破性的连接标准，专为更小型、更轻薄的新一代电脑和设备而设计，充分满足了更高数据速率、更快充电和更大灵活性的技术需求。USB Type-C 的主要目标是在设备之间建立高速连接、进行充电管理，以及确保有效的数据传输。USB Type-C 连接可以提供下列功能： \n– 支持 USB 2.0 和其他协议的动态电力和数据传输 \n– 成为连接新一代设备和未来设备的主要接口 \n– 后向兼容 \n– 正反可插，方便易用 \n设计工程师和测试工程师在为他们的产品集成 USB Type-C 时必须确保互操作性和测试一致性，因而经常遇到各种各样的挑战。针对 USB Type-C 的一致性测试标准越来越多；不仅如此，更高的数据传输速度、更大的功率和更多功能也使 USB Type-C 变得更加复杂；因此，成功的测试需要使用高度精确且符合标准的测试仪器、软件和夹具。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/f894ea0fffc552ae.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 1. USB Type-C 引脚输出。注意观察其中的对称和互逆（正反可插）结构。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"Type-C 供电 "},{"insert":"\nUSB Type-C 通过整合被称作 USB 供电（USB PD）的动态电源系统，进一步扩大了 USB适 \n用范围。USB Type-C 不但扩展了数据传输功能，还可传输高达 20 伏、5 安和 100 瓦的电力，支持对更多类型的设备进行充放电。USB PD 拥有智能且灵活的系统级电力管理能力，支持双向充电 — 可为连接的供电（供应电力）和用电（吸收电力）设备切换供电方向。这种动态供电使USB Type-C 得以有可能借助 ALT 模式来支持其他的视频和音频信号标准，例如 DisplayPort 或Thunderbolt。 \n \n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"PD（供电）的工作原理"},{"insert":" \n首先，在设备之间建立一个端到端的 USB Type-C 连接，并且通过 CC（配置通道）线来确定电缆方向。USB 连接初始化从 PD 开始。作为首要任务，PD 会通过 PD 电路与任何一条全功能Type-C 电缆（其中带有电子标记芯片）之间的电子连接来了解该条电缆的功能。这种电子芯片带有电缆配置信息，上面携带的电流承载能力（3A 或 5A）、性能（USB 2.0、USB 3.1 Gen 1 或Gen 2）和厂商标识（USB Type-C 电缆ID 函数）等信息可支持进行电子识别和配置。 \n识别电缆之后，PD 电路及所连接的设备就会使用 CC1 / CC2 专用线路来发送和接收 BMC（双相标记编码）消息，并开始进行电力协商。USB Type-C 设备使用针对电源的六个固定电源配置文件之一进行配置（图 2）。设备会在给定时间内与 PD 电路“协商”其所需的电源配置并请求特定的电力级别，可变电流高达 5 A、可变电压高达 20 V。USB PD 动态管理电力分配，调整电压和电流，并为连接的所有设备确定供电/用电角色。\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/48444ddb59941978.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 2. USB Type-C 电源配置文件。"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"PD（供电）的工作原理（续）"},{"insert":"\n灵活的双向充电是 USB 的新功能，PD 还可以动态控制更高的电压和电流。PD 可以利用充电适配器快速对设备电池进行充电。充电适配器能够根据Type-C 电缆和连接器的情况输出不同电压（5 V 到 20 V）和电流（3 A 或 5 A）。当设备使用 CC1/CC2 线路充电时，可以请求更高的电压。当一个设备充电时，所有已连接的其他设备必须就它们需要的电量进行协商，并且如果有其他设备需要更多电量，还可以进行重新协商。PD 也可以优化至较低的电池电压和更高的充电电流，从而加快充电速度。PD 的双向流动能力使被充电的设备也能向其他设备供电。除了对连接的设备进行电力管理之外，PD 还能管理电源以支持 Type-C 交替模式。 \n使用 USB Type-C PD 提供更高的动态可变功率，需要设计工程人员进行大量验证和测试，以便实现一致性要求。除了管理设备的双向电源流动外，还必须验证 CC1 / CC2 线路信号，以便在启用 D±和 ALT 模式信号时更改电源和管理 ALT 模式，进行正确的协议传输。Type-C PD 的动态能力和可能的功率配置范围、再加上 USB 2.0、USB 3.1 Gen 1 和 Gen 2、以及 PD 一致性规范的持续演进，让 Type-C 设备测试验证比传统的 USB 测试变得更具挑战性。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/8f9e9c9c93255ba6.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"测试挑战"},{"insert":" \n供电规范将会继续发展。不过，电源、物理层和协议层仍是一致性测试的主要对象。设计工程师必须考虑的重要测试参数包括：多个不同的电压电平、设备充电、电缆功能，以及确定供电方与用电方的设备状态。清楚地了解 Type-C 设备的一致性测试需求以及所需的仪器和软件，对于实现可靠、精确的测量至关重要，并将确保获得最佳和最经济高效的测试结果。 \n \n设备的电源和充电 \n当一个 Type-C 设备需要电池配置文件（参见图 2）时，例如“配置文件 2，12 V”，工程师们必须验证配置了正确的电压和电流（或功率配置文件）。这需要监测 CC 线路是否实施了恰当的协议并测量生成的电压和电流。这可以通过监测 CC1/CC2 线路（一个 300 kHz 的信号）来实现。此信号可以利用示波器分析眼图进行测试。CC 线路编码的分析与调整可能会充满挑战，因为电缆电压在持续变化，并且可能存在串扰。 \n此外，还需要进行彻底测试，以确保对高达 20V/5A/100W 的设备电池进行快速充电，并且保证自适应快速充电的安全和可靠性。对于 PD 版图验证来说，最重要的挑战是噪声、纹波和切换的影响，尤其是 10 至 20 G 信号对直流电源完整性的影响。供电完整性测量可以使用一台示波器来完成，测量包括： \n– 电源漂移 \n– PARD（周期和随机干扰）— 电源线上的噪声、纹波和开关瞬态 \n– 静态和动态负载响应 \n– 可编程电源轨响应 \n– 高频瞬态和噪声 \n– 在极端温度下进行产品电气性能验证\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/b7faeab8b3c3f488.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"测试挑战（续）"},{"insert":"\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/1ccc7dd56fb6ae40.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"图 3. USB 供电的典型电源完整性测量：负载响应、PARD"},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"电缆功能包括供电方/用电方 \n由于 PD 提供了如此多的功能，因此使用 Type-C 电缆需要执行更多测试。每一种电缆配置场景，包括电力变化、双向供电、USB 数据传输、供电方/用电方角色分配、以及所使用的 ALT 模式，都必须要进行测试。 \n首先是验证正在工作中的 Type-C 电缆，对到达和离开电子标记芯片的电压电平进行测试。接下来，验证双重功能端口（DRP）设备是供电方还是用电方，当前正在供电还是吸收电力。示波器会结合电流探头、电流和夹具进行测量，例如测量上升时间、下降时间、电压和高-低电平。 \n在 PD 一致性验证任务中，还包括测试其他的低速线路：二级总线（SB）、VBUS 和 GND。CC线是一对屏蔽线，当与非屏蔽 D± 线组合使用、并且可能存在高达 100 W 的电源线时，很容易出现串扰风险。PD 会持续地与设备协商输出功率，并且当设备尝试解码 CC 线时，VBUS 和 D±正在改变，因此实际的配置非常具有挑战性。\n \n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"是德科技面向 Type-C 供电测试的解决方案 "},{"insert":"\n作为使用 SOP、SOP' 和 SOP”调试 PD 线路的实时协议触发和解码工具，是德科技为 Infiniium系列示波器提供了 N8837A USB PD 软件，为 InfiniiVision 3000TX、4000 X 和 6000 X 系列示波器提供了 DSOXT3UPD、DSOX4UPD 和 DSOX6UPD 协议选件。这些 USB PD 协议软件选件提供了一种简单的方法来调试 Type-C CC BMC 编码的 300 kbps 信号，其中包括高级 USB 触发、时间相关解码波形、协议列表/表格窗口视图和 USB PD 协议搜索功能。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/68c90bb253558e81.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"在测试物理层设备的配置中，一般会包括示波器、探头、电流探头、USB PD 协议软件、试件/夹具和 PD 控制器。 \n当数据传输速率为 300 kHz 时，建议使用 500 MHz 或更高频率的 Keysight Infiniium 示波器，因为这样可以包含较长的记录长度以捕获整个数据包。虽然信号主要是直流信号，但大多数信号都具有交流特性，因此确保足够高的示波器带宽非常重要。当分析 5 V DC 电源信号时，最好是使用探头偏置来观察信号上的瞬态。如果使用隔直器，则可能会错失直流和低频分量。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/057dd9918d85551e.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"是德科技面向 Type-C 供电测试的解决方案（续）"},{"insert":" \n其他推荐的测试组件还包括： \n– 两个 N2873A 无源探头，用于 CC1/2 和 VBUS 测试 \n– 一个 1147B 电流探头，用于测试负载电流 \n– 供电控制器、相关软件和试件 \n– 是德科技电源和负载。USB PD 验证测试所需要的电源和负载解决方案必须能够满足斜率、瞬态响应和功率需求等方面的严格要求。是德科技推荐使用 N6752A（100 W）或 N6786A（80 W）高性能直流源表和 N3303A 直流电子负载模块。 \n– Keysight N7020A 电源轨探头专为分析 PD 5 V、10 V 或 20 V 而设计，带宽为 2 GHz，可捕获非直流信号的伪像。N7020A 电源轨探头的特性能够解决电源轨测量中的下列重大问题： \n– 对低噪声采用 1:1 衰减 \n– 对电源轨提供 ± 24 V 偏置支持，最高可达 24 V 以便附带 PD 20 V \n– 对直流提供 50 kΩ 输入电阻，以便确保能够测量电源轨的低直流负载 \n– 2G Hz 带宽，用于捕获可能对时钟和数据抖动带来不利影响的高频噪声和瞬态。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/e5fde70db01c5fff.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"是德科技面向 Type-C 供电测试的解决方案（续） "},{"insert":"\n为了测试和调试低速信号，例如 CC1、CC2、VBUS、SBU1、SBU2 和接地信号，推荐使用N7016A Type-C 低速信号访问和控制夹具。此夹具可能通过一条卡式 Type-C 电缆连接到高速夹具。这可让工程师从下游 USB 器件中分离出 USB 3.1 信号，以进行系统故障诊断和控制。它还支持工程师使用高阻抗的无源探头进行信号探测，从而完成深入的信号分析。\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/7b1557599886d350.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/0b35956c6b5c7de1.png"}},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" \n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"结论 "},{"insert":"\nUSB Type-C 供电为 USB 连接的设备开辟了全新的可能性，可以提供更高功率的双向充电，并且通过 ALT 模式为非 USB 设备供电。现如今，设计和测试工程师面临着许多复杂多变的测试需求和应用场景，这些都必须要考虑设备验证和一致性测试。通过选择最佳的仪器、夹具和软件，他们可以有效地管理更多测试，轻松进行测试设置，从而提供精确的电源、负载和测量，快速获得精确的一致性测试结果。 \n是德科技的全套 Type-C 解决方案（包括软件、仪器和夹具）恰好满足了这一需求，能够轻松地对这种通用接口中的各项标准进行全面测试。无论是针对设计还是验证，从调试、表征到一致性测试，再到完工，我们的解决方案都会帮助您加速实现目标。\n \n"},{"attributes":{"color":"#c00000","bold":true},"insert":"相关文献"},{"insert":"\n "},{"insert":{"image":"https://files.eteforum.com/article/202306/c66cdce123402756.png"}},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":" "},{"attributes":{"align":"center"},"insert":"\n"},{"insert":"——转自Keysight中国官方网站"},{"attributes":{"align":"right"},"insert":"\n"},{"insert":"\n"}]