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USB PD测试解决方案

USB PD简介

随着市场上USB Type-C接口在智能设备上使用越来越广泛，智能设备对于快速充电的需求越来越大， 但传统圆孔接口会另外占用空间，并且由于充电的电压或者电流变化会使得插头更大。因此让USB接口支持高功率充电成为了提高充电功率的重要手段。现阶段基于typeC接口的快充协议多种多样，但非手机厂家研发的主要有高通的Quick Charge 和 USB-IF协会的USB Power Delivery（USB PD）
为此，高通推出了QC充电（Qualcomm quick charge）用于进行快充，2020年发布的最新版本QC 5 可满足最高100W（20V 5A）的充电。
USB-IF作为管理USB标准的机构，推出的USB PD充电协议自然得到了不少支持，被广泛采用在移动设备上，尤其是轻薄笔记本。2021年，PD 3.1充电协议推向市场，通过提高充电最大电压的方式，其最高功率突破PD 3.0 的100W（20V 5A），达到240W（48V 5A）。同时PD3.1 还支持了反向充电、低功耗设备充电等特性


PD发展历史

PD1.0

最早的PD1.0技术是针对USB BC技术的整合。传输功率从USB BC 1.2的7.5W考虑提升到100W。可以考虑通过连接后进行传输功率转换，可选18W，36W，60W或者100W。
PD1.0采用的是传统硬件（如USB typeA接口、micro USB），通过VBUS进行PD1.0协议传输，使用24MHz的FSK通过cAC-Coupling耦合电容耦合到VBUS上的直流电平进行通信。但这种方式不仅需要滤波器过滤信号防止对直流串行影响，同时还涉及到FSK信号完整性问题等。因此这次尝试并不被广泛使用。

PD2.0

随着USB typeC接口的推出，PD2.0在此基础上有了专用的协议通信线，可以实现更安全高效的 协商，同时支持了DRP (dual role port) type C接口，可以在电源和负载之间进行角色转换，进而支持功率双向传输。PD2.0真正实现了BUS电压根据需求在5V，9V，15V和20V之间切换，最高功率100W的设计思路。PD2.0奠定了现代USB PD的技术基础，是划时代的版本。

PD3.0

PD3.0主要在PD2.0上增加了PPS（programmable power supply，可编程电源）功能，可以以20mV/step调整电压、50mA/step调整电流，让功率传输更智能化。通过这种方式，PD3.0可以与大量手机厂家的私有协议进行同步，间接地形成统一。

PD3.1

PD3.1在2021年发布，主要在PD3.0上增加了EPR（Extended Power Range，扩展功率范围）功能，将最大功率从100W提升至240W。同时EPR范围还支持一0.1V/step的电压调整。

PD充电接口

PD能力的发展，不仅仅让手机用上了USB typeC充电接口，同时数码相机、大容量移动存储、平板电脑、笔记本、显示器等设备都已经支持使用PD供电。未来，更多的设备都将会使用PD充电协议作为电力输送的端口。

实际使用USB typeC接口进行 PD 充电时，是需要进行一次正反面的判定的。在公口和母口进行插入之后，设备之间将会建立起一个端到端的 type C 连接，并且通过对公口上VCONN进行判断，判断是在母口的CC1线上还是在CC2线上。与VCONN连接的一根CC线将会成为对线缆内识别芯片等设备的供电，另外一根CC线则承担起source 和 sink之间通信的要求。

由于PD充电只会对CC线、VBUS线（即电源供电线）、地线有要求，不少的线缆厂家和设备厂家都会采用“阉割”typeC接口的方式，即省略掉高速串行线TX/RX，部分甚至省略掉USB2.0的D+/D-。这种线缆可用于充电，但是作为数据传输线是不合格的。因此采购typeC线的时候需要注意。

PD充电协商过程

在typeC线缆插入时，sink通过上拉电阻Rp接入、source通过下拉电阻区分出VCONN线和CC线之后，VCONN将会对线缆上CC2的配置芯片（E-marker）进行供电。进行USB PD供电时，线缆上E-marker在VCONN供电后，可以向source标明线缆功率的识别、线缆ID及制造商信息等。

E-marker不是线缆上必需的。但是如果需要传输电流大于3A、需要高速传输数据时，才必须要求线缆上具有E-marker。因此在日常生活中购买PD充电线缆时，需要了解清楚线缆的特性以及是否有E-marker。
当电缆的连接建立起来之后，PD协议的SOP通讯就开始在CC线上进行。Source和sink之间的通信类似如下：
1、sink申请获得source的能力数据。
2、source提供它的能力数据信息。
3、sink从source提供的能力数据信息中选出适当的电源配置参数并发出相应的请求。
4、source接受请求并将总线电压修改成相应的参数。在总线电压变化期间，设备端的电流消耗会保持尽可能地小。source提升总线电压的过程是按照定义好的电压提升速度来进行的。
5、总线电压达到最后的数值以后，source会等待总线电压稳定下来，再发送出一个电源准备好信号。到了这时候，sink就可以增加其电流消耗了。
6、当sink希望总线电压降低的时候，同样的通讯过程也会发生。在总线电压下降期间，source会激活一个分流电路，通过主动的总线放电使总线电压快速降低。达到额定值以后，充电端会等待一段稍长的时间让总线电压稳定下来，然后再送出一个电源准备好信号。
source和sink之间进行通信时，会先计算CRC-32，之后用4b5b编码方式，最后使用满足直流平衡的双相标记编码（ BMC ）发送数据包。

PD一致性测试标准

       目前PD一致性测试最新标准为USB IF协会于4月份发布的USB Power Delivery Compliance Test Specification。该标准提供了相关的测试项目用于测试PD，使其满足 Specification 的要求
       针对PD3.1，有如下图的测试项目：

PD一致性测试标准设备

由于PD测试涉及到多种进入模式以及对进入对UUT的设置。因此USB-IF协会建议使用集成式的PD测试仪用于进行PD一致性测试。
目前协会推荐的有如下三款：
其中，力科作为老牌的协议分析设备厂商，拥有非常强大的仪器制造能力和协议分析软件。其中M310e协议分析仪不仅可以作为PD一致性测试硬件，同时支持10Gb/s速率下USB 3.2 的高速解码、流量生成、Display Port 的视频解码等功能。
进行USB PD 3.1测试时，使用配套电源以及负载，M310e可以轻松实现对PD 3.1 合规性测试要求全自动化测试测试
另外，物理层测试时需要准备一个任意波形发生器用于加扰测试，以及示波器用于对加扰波形的校准。

PD 快速角色切换测试

部分PD设备同时具有双角色身份（供电方和受电方）的作用，在连接产生变化时，需要快速切换角色，保证其他设备的工作正常。

PD快速角色切换介绍

如部分笔记本设备在连接带供电的HUB使用时，可以通过墙上插座进行PD充电，以及为HUB上面的设备提供工作电源。此时笔记本处于受电方角色，HUB处于供电方角色。
当从墙上拔下HUB的电源时，笔记本需要为HUB供电，保证连接于HUB上的设备保持不断电状态正常工作。此时笔记本处于供电方角色，HUB处于受电方角色。为了保证这个过程的可持续进行，需要进行快速角色切换测试

力科PD快速角色切换测试套装

LeCroy支持Voyager M310P&M&310e测试平台的所有必需的FRS合规测试。支持快速角色交换(FRS)的电源交付3.1芯片组和最终产品需要通过表1中列出的符合性测试。

PD debug 测试

示波器+type-C夹具+探头组

USB PD 一致性测试只能测试出是否通过PD 一致性测试功能。但在测试之后，仍然需要判断出来哪个步骤上出现了错误。这时候就需要针对整个PD供电过程中的电压、电流、CC线协议进行识别，进行观测。可以用于观察整个协商过程的问题所在。

示波器+PD触发/解码软件

若需要更强大的PD协议波形识别，可以选用示波器添加PD触发条件，并对整个通信的波形进行观察。可以对波形进行触发、解码、测量、物理测量（眼图功能）。对工程师分析失效过程提供优秀的工具。

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