By GRL team on Apr 12, 2022

USB-IF PD 3.1-EPR规格与进出EPR Mode的程序

   

Granite River Labs, GRL
蔡宗儒Vince Tsai

 

依照目前USB-IF的规定,自2022/01/01起,欲取得USB Power Delivery认证的产品,必须符合PD3.1 测试规范,若想详细了解PD3.1测试规范所新增的项目,可以先参考GRL推出的另一篇技术文章:USB-IF最新PD规范– PD3.1 规格介绍。而此篇文章主要会通过实际测试的原始数据报告结合测试规范的内容,呈现测试过程中EPR Source与Sink双方的行为。而文章中所使用的Log,是通过GRL USB Type-C® Power Delivery EPR测试分析仪所产生的结果。

历代PD供电规格比较

开始介绍EPR进出Mode的程序之前,必须知道新版的PD3.1规范与旧版本之间的差异,以便了解EPR在PD3.1中扮演的重要性,一般电流电压规范请参考下方统整与表1;PPS与AVS差异请参考表2。欲了解EPR线缆规格说明可参考前面提到的技术文章: USB-IF最新PD规范– PD3.1 规格介绍

  • Maximum Power : 将PD3.0的最大功率输出100W,扩展至240W。
  • Fixed PDO : 固定电压的输出,新增28V、36V以及48V的规格。
  • Programmable Power : 延续PD3.0在100W以下的输出规格。
  • Adjustable Voltage : 以高于20V固定电压的规格,制定新的可调式电压。
  • Maximum Current : 延续PD3.0功率输出的最大电流5A。
  • Cable :制定新的EPR Cable,必须宣称支持50V/5A以符合高于100W的EPR输出规格。

表1:历代PD供电规格

 

表2:PPS与AVS差异

 

进入与退出EPR Mode的程序

以下会通过测试的Log与步骤来实际呈现EPR Source/Sink,如何进入与离开EPR Mode。

Step1 – Explicit PD Contract

此阶段,Source/Sink会确认双方是否都有宣告支持EPR Mode:

  1. Source/Sink,需要先建立Explicit PD Contract。
  2. 在Source Capabilities与Request Message中,检查双方是否有宣告支持EPR Mode。
    1. EPR Mode Capable – Source/Sink用来宣告是否支持EPR Mode。

图1:Source/Sink建立PD Contract

 

Step2 – Enter EPR Mode

在该阶段,双方会发送EPR Mode_Enter/Ack/Succeeded/Failed/Exit,确认双方的需求与响应:

  1. Sink发送EPR Mode_Enter,向Source表示要进入EPR Mode。

图2:Sink发送EPR Mode_Enter

  1. Source确认有支持EPR Mode后,发送EPR Mode_Enter Acknowledged,向Sink表示允许进入EPR Mode。

图3:Source发送EPR Mode_Enter Acknowledged

  1. 依照带线或是不带线的产品,有两种不同的行为:
  1. 不带线的产品:需先发送Discover ID Request,确认线材规格是否宣称可承受50V/5A之后,才能发送EPR Mode_Enter Succeeded,向Sink表示成功进入EPR Mode。
  2. 带线产品:直接发送EPR Mode_Enter Succeeded,向Sink表示成功进入EPR Mode。

图4:Source发送EPR Mode_Enter Succeeded

 

Step3 – PD Negotiation in EPR Mode

在该阶段,双方会在EPR Mode中,建立EPR PD Contract :

  1. Source发送EPR_Source_Capabilities,向Sink宣告其在EPR Mode中的供电能力。
    1. SPR – PDO#1~PDO#7
    2. EPR – PDO#8~PDO#13
  2. Sink依照需求选择PDO,填入EPR_Request中并传送给Source。

图5:Source发送EPR_Source_Capabilities with SPR and EPR PDOs

Note:

SPR PDO : Data Objects 1~7组需填入SPR PDO,若不足7组,则写入0补满。

EPR PDO : Data Object 8~13组需填入EPR PDO,若不足6组,不须写入0补满。

 

Step4 – Maintain Communication in EPR Mode

在该阶段,Source会确认Sink是否仍保持在EPR Mode中:

  1. Sink在EPRKeepAliveTimer timeout后,发送EPR_KeepAlive,向Source宣告双方目前仍保持沟通。
  2. Source收到Sink的EPR_KeepAlive后,发送EPR_KeepAive_ACK,并停止SourceEPRKeepAliveTimer。
    1. 若SourceEPRKeepAliveTimer timeout,则Source会发送Hard Reset,强制中止EPR Mode。

图6:Sink发送EPR_KeepAlive

 

Step5 – Exit EPR Mode

Source/Sink若想离开EPR Mode皆可主动发起EPR Mode_Exit离开,但必须遵守以下规定:

  1. 必须将电压下降至固定电压20V以下(包含20V) : 1. Source发送EPR_Source_Capabilities重新建立沟通,且其中不包含EPR PDO的宣告。 2. Sink发送EPR_Request,并宣告要求SPR PDO。

图7:Sink发送EPR_Request with SPR PDO#1

  • 达到上述条件后,电压应下降至20V或是更低,此时Source/Sink任一方都可发起EPR_Mode_Exit来向对方表示要离开EPR Mode。

图8:Sink发送EPR_Mode_Exit with Vbus 5V

  • 收到EPR_Mode_Exit后,Source必须在tFirstSourceCap时间内发送Source Capabilities,以重新回到SPR Mode。完成SPR PD Contract后,即完成了EPR的进入与离开。

图9:Source发送Source Capabilities

 

结论

USB-IF在PD 3.1推出EPR Mode,使PD的功率输出提升至240W,以便能更广泛地应用在各类型的产品上;然而高瓦数的输出方式,必然带着相对高的安全性风险,对此USB-IF在PD3.1 SPEC特别针对EPR Mode制定了相对应的运作方式,为的是在提升功率输出的同时,能降低安全性的疑虑,因此对于EPR Mode所制定的相关规则或运作模式才会相对复杂。

USB-IF近年不断在Power Delivery功能上做出创新,且制订相对应的规定以降低安全性的疑虑,我们可以期待Power Delivery未来将导入到更多元的产品。

 

参考文献

  • USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.0, May 2021
  • Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021

作者

GRL 台湾FAE工程师 蔡宗儒Vince Tsai

毕业于国立成功大学航太系。具USB Power Delivery相关测试经验,熟悉USB-IF PD Compliance测试规范。希望能够协助客户PD 方面的问题,以顺利取得认证。

 

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本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。

发布日期2022/04/12 AN-220412-TW

Published by GRL team Apr 12, 2022

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