Granite River Labs, GRL
陳世豪 Ryan Chen
USB-IF 在今年一月發布了 USB PD3.1 V1.7 規範，該版本主要基於 USB PD3.1 V1.6 更新了4個部分（ECN V1.6），分別是：Correcting Invalid Reject Message Handling，Source Transition，Source Request，EPR Entry。近期USB-IF在4月份發布了USB PD3.1 V1.8規範，該版本更新了5個部分（ECN V1.7），分別是：Update to PPS Requirements，Deprecate Interruptibility of AMSes，EUDO Cable speed field clarification，Slew Rate Exception for Power Role Swaps，Deprecate Interruptibility of AMSes。下文將對應 ECN V1.6 及V1.7，為大家逐一介紹這兩個版本更新的內容。
ECN V1.6更新內容
Reject 消息的正確處理方式
Reject 消息不再作為 Data_Reset 和 Get_Source_Cap 的有效回應。對於 Data Reset，除了接收到 Accept 消息之外的任何回應都將觸發ErrorRecovery，對於 Get_Source_Cap，除了接收到預期/有效回應之外的任何消息都將觸發 Soft Reset。Data Reset 相關介紹，請閱讀往期文章“USB PD 中的重置”。
圖1：Reject 消息在上述情況中為有效/合規的回複方式（摘自USB PD 3.1 V1.8）
Source 要求
在 Source 調整電壓期間，將對 Sink 的要求從“power”一詞更改為“current”，因為 Sink 設備通常在額定電流下工作，而不是額定功率。對 Source 的要求也相應的同步更改。
圖2：USB PD 3.1 V1.8 章節7.1.4.1.1（摘自USB PD 3.1 V1.8）
Source 電壓轉換要求更新
摒棄了源電壓轉換過程中單調性(monotonicity)
在 USB Type-C Source Power Test 測試中，會經常遇到 QuadraMax在SPT. Load Test 測項中報關於單調性的FAIL，對於出現非單調性的電壓區域，當滿足“1ms內電壓落差在100mV之內”的豁免條件，都可向 USB-IF 申請Waiver。下圖是升壓調節的過程捕獲，標紅處為非單遞增區域，對於非單調性區域，無法解決時，以往通常需要申請 Waiver。
圖3 SPT.1 測項捕獲到的電壓波形圖
如今，當遇到非單調性的FAIL，對於增壓調整中，只要非單調性區域的電壓依舊保持在上一次的協商電壓 vSrcValid min 至新協商的電壓 vSrcValid max 之間即符合要求。同理，對於降壓調整，則要求非單調性區域的電壓介於上一次協商的電壓 vSrcValid max 至新協商的電壓 vSrcValid min 之間即符合要求。如上圖中增壓調整過程中，非單調遞增區域都不存在明顯的電壓跌落現象，並且非單調性區域介於要求的範圍內。取消單調性的要求，可以看出該部分的更新對 Source 要求不再向以往那麼苛刻，且對接收系統來說即難以實現，又沒有實際意義在一定程度上降低了對 Source 的設計與實現成本。
簡化 EPR 流程
對於 EPR 部分的更新主要有三點：
- 簡化了 EPR Cable 發現的流程
要進入 EPR，整個系統包括 Source、Sink、以及 cable 都需要支持 EPR 功能。在 SPR 模式下建立了 Explicit Contract 通常 EPR Source 就已經獲取到了 Cable 的信息，此次更新，讓 Source 在進入 EPR mode 時，可以重新使用先前讀到的 cable 信息，無需在 EPR Flow 中再次檢測 Cable 是否具備 EPR 能力，
圖4 EPR Entry Flow (摘自USB PD 3.1 V1.8)
2. 對 EPR 相關的說明，修改了描述，明確了定義
表格1 Terms and Abbreviations (摘自USB PD3.1 V1.8)
3. 新增計時器 tEPRSourceCableDiscovery
對於該計時器定義：當端口夥伴連接上後/硬重置後/或電源角色轉換成功後/或快速電源角色轉換成功後，要求Source在建立首次 Explicit Contract 過程中tEPRSourceCableDiscovery (2s max) 內與發現Cable。在Explicit Contract協商中的PS_RDY消息發出後，Source應在2s內發送 Discover_ID 請求命令給Cable。需要注意的是，如果Source不是 VCONN Source，tEPRSourceCableDiscovery 也將包括 VCONN Swap 所需的時間。
ECN V1.7 更新內容
AMS的不可中斷性
USB PD 中所有的 AMS 都是不可中斷的，刪除所有可中斷AMS的相關描述。
測試發現很少有 Device 真正地中斷任何AMS。對於以前的Spec中，可中斷的 AMS 消息數量不超過2條消息。對於該部分更新，意味著未來的 USB PD3 CTS 更新可能會刪除中斷 AMS 的相關測項，例如 TEST.PD.VDM.SNK.3 Interruption by PD Message， TEST.PD.VDM.SNK.4 Interruption by VDM Message 等，對於芯片公司來說，AMS 不再會有優先級的判斷（VDM AMS優先級最低可被中斷），一定程度上簡化了設計要求。
移除 Power Role Swap 過程的 Slew Rate 確認
PR_Swap 過程中電壓調節速率不再受 vSrcSlewPos (30mV/μs)，vSrcSlewNeg (-30mV/μs)，vPpsSlewPos (30mV/μs)，vPpsSlewNeg(-30mV/μs) 轉換速率的限制，在 USB PD 3.1 7.1.14 章節中，添加了 PR_Swap 的場景，因為在 PR_Swap 的過程中，Vbus 電壓升降的速率可能會超過 30mV/μs。PR_Swap 相關介紹請閱讀往期文章：“USB Type-C Power Delivery 的角色交換功能”。
圖5 7.1.14 Non-application of VBUS Slew Rate Limits(摘自USB PD 3.1 V1.8)
統一 EUDO Cable 參數報告方式
明確了 EUDO (Enter_USB Data Object) 中報告電纜參數的方式，未來規範的產品將使用統一的EUDO電纜參數報告方法。 EUDO 中 Cable 相關的參數值（Cable Type，Cable Current，Cable Speed）通過DFP與帶有 eMarker 的電纜插頭進行溝通來獲取，並由 DFP 分析，詳細請參考 [USB Type-C 2.2 Spec] 所定義的USB4 發現與進入的章節內容。
PPS 要求更新
對於 PPS 部分的更新主要有以下三點：
- 將 PPS 的最小電壓要求從 3.3V 提高到5V，刪除 5V Prog
表格2 SPR Programmable Power Supply Voltage Ranges (摘自USB PD3.1 V1.8)
表格3 PPS Voltage Power Ranges(摘自USB PD3.1 V1.8)
2. 優化了電壓和電流步階的定義
在USB PD Spec中，要求所有線性電壓變化的標稱請求電壓應等於LSB變化的整數倍。 PPS輸出電壓的LSB變化定義為vPpsStep。
對於電壓而言 vPpsStep - PPS Voltage programming step size. (1 LSB) = 20mV
對於電流而言 iPpsCLStep - SPR PPS Current Limit programming step size. (1 LSB) = 50mA
補充說明：PPS Mode下電壓或電流在調整過程中最小的步階差。 PPS輸出電壓紋波預計會超過一個或多個LSB的幅度，如下圖所示：
圖6 相對於 LSB 的預期 PPS 紋波 (摘自USB PD3.1 V1.8)
a. 新增定義DNL - Differential Non-Linearity
DNL是指Power Source在PPS模式下，理想的LSB步階與實際觀察的LSB步階之差，即相鄰輸入數字值對應的理想模擬值偏差。
DNL = 0 表示步階等於ideal LSB
DNL > 0 步階大於 ideal LSB
DNL < 0 步階小於 ideal LSB
PPS電壓和電流離散LSB階躍具有DNL寬容度，如下圖所示。對於電壓和電流，LSB的步長絕對值分別由vPpsStep和iPpsCLStep定義。 DNL error上限 (+1 LSB) 表示有效地跳過了一個躍階的情況，DNL error 下限 (-1 LSB) 表示電壓或電流的設定值保持不變的情況。
圖7 為PPS 模式下允許的 DNL 誤差和電壓和電流容差 (摘自USB PD3.1 V1.8)
3. 放寬Current Limit規定
a. USB PD3.1 Spec 章節7.1.4.2.2，修改了描述
圖8 Section 7.1.4.2.2 (摘自USB PD3.1 V1.8)
對於PPS Source收到低於iPpsCLMin (1A)的APDO請求時 Should reject request，這裡將原先的“Shall”改為“Should”，由於“Should”在PD Spec中不屬於強制性要求的關鍵詞，因此允許PPS Source 接受低於1A的APDO請求，但是當PPS Source接受後，必須將會其電流限制在1A。
b. 新增負載轉換速率iPpsCLLoadStepRate & iPpsCLLoadReleaseRate在限流模式下SPR PPS Source不得以超過iPpsCLLoadStepRate (150mA/μs) 或iPpsCLLoadReleaseRate (-150mA/μs)的方式改變其設定值。電流的增減速率不得超過±150mA/μs。
c. 刪除了原先較為苛刻的iPpsCLOperatingDetail的要求，即如圖9中，協商的電壓電流進入b點到c點的範圍時，將完全處於電流限制模式，要求電壓和電流的調節的範圍嚴格的落在規定的區域內，如圖10為iPpsCLOperatingDetail限定範圍示意圖。
圖9 SPR PPS 可編程電壓與電流限制 (摘自USB PD3.1 V1.8)
圖10 iPpsCLOperatingDetail (摘自USB PD3.1 V1.7)
總結
以上就是USB PD3.1 規範在2023年至目前所更新的所有內容，可以看到USB PD工作組一直在不斷地修正與優化USB PD規範，簡化了很多不必要的要求，同時也更佳合理的詳細闡明了新的要求，對USB PD產品的設計與開發成本也有一定的降低，希望未來能夠有更多的芯片廠商加入到USB PD技術的開發，一同致力於打造嚴格的，規範的，安全的，高效的充電市場環境，創造更為豐富的應用和功能！
參考文獻
Universal Serial Bus Power Delivery Specification R3.1 V1.7
Universal Serial Bus Power Delivery Specification R3.1 V1.8
USB PD R3.1 V1.6 ECNs
USB PD R3.1 V1.7 ECNs
作者
GRL 上海資深測試工程師 陳世豪 Ryan Chen
畢業於中國民航大學計算機科學與技術專業，負責USB-IF Power Delivery、Qualcomm Quick Charge認證項目及ThunderboltTM，DP over Type-C等相關合規性電源測試方案。樂於協助客戶解決電源測試問題，以順利取得認證。
