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USB Type-C PD兼容性测试与使用经验分享
2016 2016-06-27

一位Google工程师自告奋勇测试亚马逊网络商店上所贩卖的USB Type-C线缆,没想到却引发了一场灾难。除了多数线材设计不合规范外,当他试着将某牌USB 3.1 Type-C 线缆连接Chromebook Pixel时,因线缆里头的两条电线焊接位置错误,导致电源导向了错误的地方,使得他个人的Chromebook Pixel就这样被烧坏了。而就在今年二月,Apple紧急召回了一批针对2015 年6月之前生产因线材设计有缺陷的原厂USB Type-C线缆,该款线缆可能造成使用者的MacBook无法充电或是断断续续充电之状况发生。

 

就在诸多厂商竞相投入USB Type-C 技术之际,市场上伴随而来的问题也接踵而至。USB Type-C支持正/反两面插拔、支持10Gbit/s高速传输、而Power Delivery(简称PD)的技术应用更使得电源与数据传输支持个别方向运作、供电率从BC 1.2版本的7.5W一跃而升至100W之特性。除了USB-IF充电规范的充电规格之外,USB Type-C也承接了传统USB接口对Quick Charging(简称QC)的支援;此外,更能以Alt Mode在同一条线缆中运行影音讯号,所以其技术应用与冲突较传统USB相对复杂许多;厂商除了在开发阶段须遵循USB-IF标准规范以确保产品质量及安全设计符合规范,更需要验证自家Type-C产品(包括线缆)在不同使用情境下,能否与其他产品顺利运作(USB Type-C生态系统互用性图标),以防止供电异常、系统停摆、甚至组件烧毁等现象发生,引发不良使用者经验。

 

type-C_EDM-15

USB TYPE-C生态系统互用性图标

 

为掌握上述发烧之议题以及市场潜在风险,百佳泰设计了一连串USB Type-C产品互用性测试,望能透过模拟一般使用者操作情境,归纳总结出使用者测试经验矩阵,并加以分析该测试结果和规格定义之关系。

 

百佳泰Type-C电力传输PD,Power Delivery兼容性测试

 

()测试样机

10种当季开测之际,具备Type-C connector功能之笔电、手机及平板与其配对之充电器

 

()测试治具

透过百佳泰独自研发之Type-C数字电源量测治具模块「 AU-16002」,可省去购买昂贵且操作复杂的示波器、三用电表等带来之成本,快速精准量测充电物及被充电物之间的电流与电压。

 

()测试情境

为反映市场上最常见的使用方式,此测试模拟一般使用者常用之情境,总共分为四大类(参考USB TYPE-C PD测试情境图示):

  • 测试A:Type-C原厂装置vs.原厂充电器
  • 测试B:Type-C原厂装置(充电器)vs. 他牌充电器(装置)
  • 测试C:Type-C原厂装置vs. 他牌Type-C装置
  • 测试D:Type-C装置vs. 非Type-C系统

 

TYPE C PD Matrix

USB TYPE-C PD测试情境图示

 

测试A: Type-C原厂装置 vs. Type-C原厂充电器

 

Test A Matrix-1

 测试A矩阵(注:白色部分为测试范围,灰色部分则无须测试)

 

测试A旨在确认充电器与装置之间的充电规范,测试步骤为下:首先,记录原厂充电器之支持电流与电压以定义其能力范围;接下来确认连接充电器后的原厂装置并观察电流电压是否符合充电器之规格。我们举Google Chromebook 2015测试样机为例,该款为USB Type-C AC to DC充电器,从充电器所记载的支持电压电流之能力范围为5V/12V/20V=3A;接着连接并量测充电后的原厂装置,得到电流电压值为20V =1.16A,并从PD protocol解译验证双方沟通内容,该装置与充电器PD沟通内容与实际量测效果吻合。

测试A总结:十家厂商之装置对应该厂充电器兼容性结果皆符合规格。

 

测试B: Type-C原厂装置(充电器)vs. 他牌Type-C充电器(装置)

 

Test B Matrix

测试B矩阵(注:灰色部分无须测试)

 

测试B主要为测试不同厂牌装置和充电器之间的兼容性,模拟常见的使用者将手中不同厂牌的装置与充电器互相连接的使用情境;另外,测试B能够协助充电器了解其和不同品牌装置之兼容性,同时也可作为品牌厂选择充电器供货商之重要依据。

在测试B表格中,绿色方块数值为符合使用者观点之测试结果,充电器可对装置供电;橘黄色方块为不如使用者预期之测试结果,充电器无法对装置供电。然而,绿色格子中的数值真的代表「通过测试」并符合规格吗?橘黄色方块代表「未通过测试」而不符合规格吗吗?Google工程师所撰文表示的不合格(不符合规范)线材,难道在充电器与设备端也会发生吗?针对此问题我们将留到文章后段作更进一步之探讨。

 

测试C: Type-C原厂装置vs. 他牌Type-C装置

 

Test C Matrix 

测试C矩阵(注:灰色部分无须测试)

 

由于USB Type-C电源角色可互换,可定义为充电者亦或是被充电者,故测试C旨在测试两个不同装置之间的互用性以及其在过程中如何定义电力角色(Power Role)。此测试使用没有E-marker的 Apple原厂USB Type-C线缆(非2015/6月出产)来连接两项装置,白色方块为可以相互运作之结果,符合预期结果;橘黄色方块为特殊现象,我们观察到几个现象:乐视超级手机Max(X900+)互连Google Chromebook 2015时,因乐视超级手机Max (X900+)对Google Chromebook 2015的充电电流太小了,最后停止了充电行为。而Nokia N1对应Google Chromebook、Apple MacBook MF855TA/A、Apple MacBook12三种笔电则无法互相充电;乐视超级手机(X600&X900+) 与Google Nexus (6P&5X)之间却因为UI的调整而有充电方向的变化。

测试C矩阵掀起了一般使用者心中一个疑问,当两个Type-C装置相连环境下,究竟谁应做充电者,谁应作被充电者,该如何定义电力角色(Power Role)?我们在后段的个案研讨将进一步探讨此问题。

 

测试D: Type-C装置vs. Type-C系统

 

Test D Matrix-1

  测试D矩阵

 

BC 1.2 CDP 充电模式是一般使用手机上常见的被充电模式,同时支持数据传输并拥有最大7.5W的充电功率,是笔记本电脑USB埠或USB集线器必备的功能之一。

测试D旨在测试一方为USB Type-C产品与支持CDP模式的USB Type-A下行端口链接,观察即使产品为USB Type-C接头是否也能享有由USB Type-A带来的CDP功能。我们以Windows的HP EliteBook Folio 9480m作为Type-A系统(Host),测试结果显示,五种手机含小米Mi-4c、LG Google Nexus 5X、华为Google Nexus 6P、Nokia N1、ASUS ZenPad 8.0 皆可以成功地进入BC 1.2 CDP模式,不但能与Windows操作系统传输数据,并且同时有较大充电功率。

 

()测试结论

根据测试A至测试D结果总结出测试结果总表,我们发现,一个Type-C手机的装置可能同时支持多样充电模式,譬如小米Mi-4c 可支持DCP、CDP、TYPE-C UFP/DFP以及QC2.0四种模式,而各种模式也带来不同的充电功率。若将Google Nexus 6P的充电器连接到不同之Type-C装置,有的将会不充电。不充电状态虽会造成使用者之使用经验不佳进而误认是产品问题,然而因两项产品充电模式互不兼容,此时不充电反倒是一种符合规格的保护机制。

 

測試總表

测试结果总表

 

针对先前测试B与测试C之疑问,我们便可利用此测试结论而提出合理解释。

「能否充电」不再是一个衡量产品之最佳指针,「有能力充电」或「无法充电」,有可能是因两方充电模式兼容与否的结果。一个完整的USB充电模式验证,须将上述推论考虑进去,才能确保产品能够与他项产品顺利正常运作,并正确判断充电结果的合理性。

 

()个案研讨

1. 测试B个案研讨Type-C原厂装置(充电器)vs.他牌Type-C充电器(装置)

 

Test B Case Study 

测试B个案研讨图表

 

根据测试A规格表与PD protocol解译,LG Google Nexus 5X和华为Google Nexus 6P充电器同为USB Type-C母头并支持Type-C Current Mode以及D+ D- 短路(可用于DCP),但测试结果发现,两种应该有相同充电行为的充电器,却有不同结果。百佳泰分析,因为乐视Letv Max(X900+)、Letv (X600)以及Nokia N1设计较特殊,Letv X900+ & X600预设定义为Type-C为DFP; Nokia N1则是没有定义USB Type-C的CC pin,而在USB Type-C的规范下,一个正常的VBUS供电发起首先要先进行CC pin上的电压或电流的辨识行为,华为Google Nexus 6P充电器正确的执行了辨识而不发起供电行为,但是LG Google Nexus 5X充电器则是未经辨识就发起了供电行为,而未经辨识就发起供电行为是有可能造成Back Voltage的风险而导致损坏或故障。

对于使用者而言,上表中不充电的橘黄色方块虽为符合规范的连接反应,却会造成不佳之使用者经验;充电的绿色方块为不正确的连接反应,使用者却会误以为充电才是正常的。USB Type-C 电源兼容性微妙之处,在于能够充电的不一定是正确行为;无法充电的可能才是正确的行为

 

2. 测试C个案研讨Type-C原厂装置vs. 他牌Type-C装置

当两个Type-C装置相连环境下,究竟谁应作充电者,又谁应作被充电者?该如何定义电力角色(Power Role)?为了避免角色定义的困扰,我们在测试过程中,发现LG&华为的Google Nexus手机提供了一款易于使用、十分直观的UI,当它接上具备电力传输的Type-C产品时,用户可自由转换设定电力角色,下图即为使用LG Google Nexus 5X 和华为Google Nexus 6P连接时之截图供读者参考。

 

Test C Case Study

测试C个案研讨图示

 

测试C个案研讨提供了宝贵经验予各家制造厂商,厂商在开发产品软件时可将类似的选择功能特点一并考虑进去。

 

百佳泰TYPE-C兼容性测试解决方案

当「能否充电」不再是衡量Type-C产品之最佳指针;当USB Type-C Power Charging着重于双方须在正确电流与电压上才可以相互沟通之「充电定义」;颠覆传统思维的USB Type-C Power Charging技术,无疑需要一个完整的USB充电模式验证方案以确保产品质量及安全。

目前USB-IF尚未发布完整的Type-C PD规格,各家产品符合协会公告规格之程度也大不相同,故在产品设计及测试上,仍有许多改善空间。在这一篇文章中,我们分享了使用者经验矩阵结果以及分析;接下来,将会特别针对在测试时发现的USB Type-C兼容性之重大问题作个案讨论,请大家拭目以待。

 

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