USB Type-C Power Delivery 纜線測試
關鍵字：USB Type C，USB PD2.0，USB PD3.0，USB PD3.2
前言
蘋果公司(Apple)的Lightning介面於2012年挾著體積小以及其正反均可使用的兩大優點橫空出世，與當時的USB Mini-A、Mini-B、Micro-A、Micro-B形成分庭抗禮之勢，且其優勢無疑對USB標準帶來不小的競爭壓力，USB協會學習了Lightning的設計理念，於2014年也推出正反均可使用的Type C接頭以改善了用戶體驗，歐盟從2024年起，所有小型電子器材，包括手機、平板電腦、相機、耳機、手持式遊戲機、攜帶型喇叭、電子書、鍵盤、滑鼠、攜帶型導航(強制實施日期2024年12月28日)和筆記型電腦(強制實施日期2026年4月28日)等必須使用 USB-Type C作為充電介面。這一規定旨在減少電子垃圾和提高消費者便利性，隨著蘋果2023年發表的iPhone 15改用Type C介面，這10多年的可攜式產品介面之爭也將寫下句點。
USB大一統的時代
USB在眾多廠商及歐盟法規的支持下，已然成為3C產品外接介面的霸主。
Type C連接器及電纜線：體積小，正、反接均可使用。
USB4規格提供高速資料傳輸：最高可達80Gbps
USB PD3.2 (Power Delivery)電源傳遞：最大功率240W。
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名稱 |
速率 |
其他名稱 |
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USB Basic Speed |
1.5Mbps或12Mbps |
USB1.0/USB1.1 |
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USB High Speed |
480Mbps |
USB2.0 |
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USB 5G (Super Speed) |
5Gbps |
USB3.0 或 USB3.1 Gen 1或USB3.2 Gen 1 |
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USB 10G (Super Speed+) |
10Gbps |
USB3.1 Gen 2 或 USB3.2 Gen 2 |
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USB 20G (Super Speed+) |
20Gbps (10Gbps x2) |
USB3.2 Gen2x2 |
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USB 20G |
20Gbps (10Gbps x2) |
USB4 Gen 2×2 (2019/9) |
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USB 40G |
40Gbps (20Gbps x2) |
USB4 Gen 3×2 (2019/9) |
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USB 80G |
80Gbps (40Gbps x2) |
USB4 Ver2.0 或USB4 Gen4 (2022/10/18) |
表一：USB速率規格表
USB PD (Power Delivery)摘要規格
具備USB PD能力的設備包含：主機Host；裝置Device；集線器Hub；充電器 Charger。
充電模式包含：定電壓充電(Fixed Voltage Charging Models)，可程式電源充電[Programmable Power Supply (PPS) Charging Models]，可調電壓供應充電Adjustable Voltage Supply (AVS) Charging Models等三種模式。
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功率範圍 |
可提供之電流及電壓 |
電源傳遞功率範圍 |
附註 |
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標準功率範圍 |
3A: 5V, 9V, 15V, 20V 5A1: 20V |
15 – 60W >60 – 100W |
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擴展功率範圍 |
3A2: 5V, 9V, 15V, 20V 5A2: 20V 5A2: 28V, 36V, 48V |
15 – 60W >60 – 100W >100 – 240W |
須進入擴展功率模式 |
表二：固定電壓充電模式功率範圍
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可供電流 |
可程式 |
最小電壓 (V) |
最大電壓 (V) |
電源傳遞功率範圍 |
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3A |
9V 可程式 |
5 |
11 |
16 – 60W |
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15V 可程式 |
5 |
16 |
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20V 可程式 |
5 |
21 |
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5A (需用5A纜線) |
20V 可程式 |
5 |
21 |
16 – 60W |
表三：可程式電源充電模式功率範圍
可調電壓供應(AVS)充電模式的功率範圍是基於電源傳遞功率範圍(PDP)的額定值來定義一組電壓範圍，其範圍包含大於27W的標準功率範圍SPR模式和100W以上的擴展功率範圍EPR模式，標準功率範圍SPR最大電流，在9~15伏特範圍以15伏特決定；在15~20伏特範圍以20伏特決定。
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電源傳遞功率範圍 |
標準功率範圍可調電壓供應(SPR AVS) |
擴展功率範圍可調電壓供應(EPR AVS) |
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最小電壓(V) |
最大電壓(V) |
最大電流 |
最小電壓(V) |
最大電壓(V) |
最大電流 |
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>27…45W |
9 |
15 |
3A |
N/A |
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>45…60W |
9 |
20 |
3A |
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>60…100W |
9 |
20 |
5A1 |
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100…140W |
9 |
20 |
5A2 |
15 |
28 |
5A2 |
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>140…180W |
9 |
20 |
5A2 |
15 |
36 |
5A2 |
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>180…240W |
9 |
20 |
5A2 |
15 |
48 |
5A2 |
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1需使用5A纜線 2需使用擴展功率範圍纜線 |
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表四：可調電壓供應充電模式功率範圍
綜合上述工作條件，測試Type C PD電纜線需要直流電源供應器模擬表二至表四的工作電壓範圍，透過直流電子負載拉載來確認纜線可承受此範圍的工作電流。
建議機型如下：
- PSW 80-13.5 可程式電源供應器規格：80V,13.5A,360W 可滿足固定電壓5V、9V、15V、20V、28V、36V、48V的需要。可程式電壓5~21V，可調電壓9~48V等需求。
- PEL-504-80-70 電子負載規格：80V,70A,350W 可滿足5A拉載的需要。
測試接線如圖一所示:
圖一：透過可程式電源供應器PSW 80-13.5及直流負載PEL-504-80-70測試Type C電纜
總結
測試纜線除了實際通過的工作電壓與電流外，纜線的組成包含連接器、導線、外被等，相關的接觸電阻、絕緣電阻也是需要的測試項目，以下提供相關所需儀器以及儀器的重要特點供讀者參考。
圖二：PSW系列電源供應器特殊功能
圖三：PEL-500系列特點
圖四：微歐姆計量測接觸電阻及相關精準電阻的量測需求
圖五：GPT-10000系列絕緣耐壓測試儀，具備V-I曲線可真實確認絕緣材料的崩潰電壓
參考文獻
1：Universal Serial Bus 4 (USB4®) Specification, Version 2.0, October 2022
2：迎接 USB4－80Gbps 超高速時代來臨 (Granite River Labs, GRL Sandy Chang 張靜宜)
https://www.graniteriverlabs.com/zh-tw/technical-blog/usb4-80-cio80
3：維基百科
3-1：https://zh.wikipedia.org/zh-tw/USB
3-2：https://zh.wikipedia.org/wiki/USB4
3-3：https://zh.wikipedia.org/wiki/USB_Power_Delivery
4：Universal Serial Bus Power Delivery Specification, Revision:3.2 Version:1.0 Release date:2023-10
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