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USB PD3.1深度解读

5 29, 2021

USB PD3.1提出的背景是:“启用一类新的USB-C / PD产品/连接符合IEC标准,工作功率> 100W。“翻译成通俗语言就是,设备采用USB Type-C接口供电,但是功率需要大于100W,怎么办?最早的发起者是美国苹果公司,他们想在新一代的游戏本电脑中把供电功率提升到140W,同时保持USB-C接口供电方式。

要增加USB接口的供电功率,无非只有两条途径:1. 提升母线电压;2. 增加供电电流等级。USB-IF对增加USB接口的电流等级持非常谨慎的态度,他们想保持最大5A电流等级不变,所以只能往提高USB母线电压的方向上走。一个题外话,2021年5月 28日发布的我们国家自主制订的融合快充标准《移动终端融合快速充电技术规范》,即UFCS标准,既提升了母线电压,也增加了供电电流等级,可谓是双管齐下了。

说到提升USB接口母线电压,特别要提到安全特低电压(Safety Extra Low Voltage,简称SELV)。安全特低电压是指在最不利的情况下对人不会有危险的存在于两个可同时触及的可导电部分间的最高电压。根据国际电工委员会IEC制订的IEC 60950-1标准,该电压必须小于等于60VDC。大多数开关模式低压AC-DC电源输出高达48VDC都符合SELV要求。输出为48V时,OVP设置最高可达到标称值的120%,这将允许输出在电源关闭之前达到57.6V。这仍然符合SELV电压的最大60VDC。有趣的是,对于SELV电压,如不同家定义SELV的电气规格也有不同。但是业界最为权威的是IEC 60950-1的规定。而IEC 60950-1也已经升级到了IEC 62368-1。USB接口容易被人体触碰到,所以必须满足SELV的相关要求。

2021年5月25日,USB-IF协会推出了USB Type-C线缆和接口标准v2.1版本,其中更新了有关供电能力的章节。USB PD3.1规范将原来的USB PD3.0内容归到标准功率范围(Standard Power Range,简称SPR)里面,最大功率保持100W不变;同时增加了扩展功率范围(Extended Power Range,简称EPR),最大功率由100W扩展到240W。USB-IF协会预计2021年下半年推出相应设备。

EPR模式是一种USB PD的一种工作模式,最大允许电压增加到48V。Sink端符合IEC 62368-1要求,可用于PS3 Source端。Source端符合IEC 62368-1与PS3 Sink一起运行的要求。USB线缆须符合IEC 62368-1。要进入EPR模式,需要使用EPR电缆将EPRSource连接到EPR Sink。Source只有在Sink请求时才进入EPR模式,并且已确定Source端已通过支持EPR的电缆连接到Sink端。仅允许EPR_Source_Capabilities和EPR_Request消息协商EPR功率合约。在EPR模式下,不允许使用SPR消息(Source_Capabilities和Request)。

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1. SPR 和EPR的定义

好了,目标有了,USB母线电压的上限也有了,接下来要定义具体的EPR档位了。咱们先看看EPR的需求:

1.笔记本、游戏本、服务器。功率大致在100W-240W之间。所以母线电压必须在20V-48V之间。

2.6节电池、8节电池和10节电池的理想供电电压分别是28V、36V和48V。

3.很多家电电机驱动的母线电压24V。

4.通信电源、POE电源、电动摩托车电源、电动汽车母线电源(当然12V母线更常见)等的供电电压是48V。

好了,讲到这里,USB PD3.1的标准呼之欲出了。USB PD3.1规范可以在USB-IF的官网上找到,具体的链接为://www.usb.org/document-library/usb-power-delivery,大家可以下载下来详细研究,我就不一一列举。大致总结下来的核心内容为:

1.把原来的USB PD3.0内容归到标准功率范围(Standard Power Range,简称SPR)里面,最大功率100W。

2.增加了扩展功率范围(Extended Power Range, 简称EPR),最大功率由100W扩展到240W。

3. 扩展功率范围EPR中增加了28V,36V和48V三种固定电压档和三种可调电压档(AdjustableVoltage Supply,简称AVS)。最大电流等级维持最大5A不变。

4.可调电压档28V AVS范围是15V-28V;36V AVS范围是15V-36V;48VAVS范围是15V-48V。AVS的最小调压步进是0.1V,而且继续沿用基于PDP的恒功率限制模式。

5.必须在Source,Sink和Cable之间通过EPR特定信息(EPR_Source_CapabilitiesMessage and the EPR_Request Messages)握手才能由SPR进入到EPR。如果是Captive cable,则只需要Source和Sink之间握手即可。

6.USB Type-C线缆分20V等级的普通线缆和50V等级的EPR线缆。线缆本身需要支持53.65V电压,并且所用的缓解电弧的电容的额定电压应为63V。线缆上的电子标记应指定50V / 5A,并为最终用户提供可见的EPR识别图标。

7.为了保证EPR的安全性,EPR采用了类似PPS的看门狗机制,每隔一段时间发出握手命令,当PD Sink没有响应时,PD source强制把VBUS电压调节到5V。

8.由于EPR功率大幅度提升,需要重点关注IEC 62368-1关于限功率电源(LimitedPower Supply,简称LPS)的规定。

9.支持EPR的插座和线缆需要额外的机械考虑,以防止在连接过程中发生短路/电弧。为此,线缆以及插座的机械规格需要更新。拔出操作期间可能会产生电弧,并且CC和VBUS引脚之间的长度差异可以缓解这种情况(允许尽早检测到断开事件,以使电源在完全断开之前降低电流)。建议在任一线缆端使用缓冲电容以帮助实现此功能。

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图2. 增加EPR后的固定电压档


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图3. EPR Source Capability的规则


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图4. EPR中AVS电压范围

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图5. SPR线缆和EPR线缆的特点

在USB PD3.1规范制定中,USB PD的work group花了大量的资源讨论VBUS母线电压提升后的安全问题。后续相关安全标准,如CCC,UL等认证会重点把关。主要的安全问题包括:1. 拔出电弧;2. 限功率电源(LPS);3. 连接器和线缆的安全距离。

ERP模式下的插入是个逐步握手的过程,从建立Type-C连接5V供电,到PD握手提升VBUS母线电压,再到PDSink抽取电流一步一步实现。但是EPR模式下的拔出却是突然的过程,有可能在48V、5A供电条件下突然拔出,如果Sink电路有瞬间反向放电,就会有电弧的风险。第一种电弧放电机制归因于感应反冲,该反冲可轻易产生12伏或更高的电压差。第二种电弧机制是电压差导致电弧放电,这是由于在Source侧VBUS触点保持高电平时,Sink侧VBUS触点处的电压放电所致的电压差。为了避免拔出电弧的风险,PD source、PD Sink和线缆的设计和制造环节都有较多的注意要点,详见USB Type-C Spec R2.1。减少电弧的目标不一定是完全防止电弧的产生,而是防止由于电弧仍可能发生而对连接器引脚造成损坏。

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图 6. USB Type-C VBUS触点的电弧损伤

出于安全目的,IEC 60950-1 IEC 62368-1标准定义了限功率电源(LimitedPower Source)。限功率电源测试的一个核心环节是,尤其在单一故障(Single Fault)的情况下,电源向负载输出的电流均有限制,不能超过相关的标准。在以往的100W以内的USB PD电源的LPS测试中,如果VBUS开关短路,常规的做法是当PD控制器检测到VBUS开关短路时,停止拉光耦。原边侧的PWM控制器环路处于开环状态,PWM控制器触发OVP。但是在EPR模式下,OVP点最高可达57.6V,显然大部分设备是无法接受的。这就需要有额外的保护模式来实现。

值得注意的是,本次USB PD3.1规范的制订中,慧能泰、华为、小米、立讯精密等多家国内公司都积极参与其中,为新标准做出了重要贡献,被写入标准起草企业目录。从去年开始,慧能泰的代表积极参与work group的讨论,并直接推动一项重要规范的升级。

结语:

USB PD3.1是非常有野心的标准升级,把USB PD的应用由传统的手机和笔记本电脑供电,扩充到便携式设备,物联网设备,智能家居,通信和安防设备,汽车和医疗等领域,USB PD将成为真正大一统的供电标准,对地球环保、减少电子垃圾,万物互联起到重要的推动作用。

但是,我们看待USB PD3.1要从更长远的眼光来看。它会是一个长达3到5年,乃至更长时间的变革和演进。第一批支持USB PD3.1的设备应当是笔记本电脑和游戏本。涉及到芯片工艺的变化,厂商需要比较长的时间来验证可靠性才能推向市场。其次USB PD3.1也涉及到相关安规认证,如CCC、UL等,完成这些配套需要时间。

 未经慧能泰允许,不得转载。


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