Zasilanie urządzeń przez USB (USB PD) za pomocą złącz USB typu C umożliwia dostarczenie mocy do 100W. Za pomocą komunikatów niskiej szybkości urządzenia negocjują wybór profilu USB PD. Zatem dostawcy podzespołów USB typu C i projektanci urządzeń wykorzystujących standard USB PD muszą zapewnić współpracę pod względem rozpoczęcia transmisji (handshake) , a także integralność sygnału.

Opis zadania

Zadanie polega na potwierdzeniu, że negocjacja profilu zasilania między dwoma interfejsami USB typu C przebiega zgodnie z testem procedury zasilania przez USB. Poza zgodnością warstwy fizycznej, należy też sprawdzić zgodność protokołów dla wszystkich rodzajów topologii systemu.

Podstawy teoretyczne

Zasilanie przez USB

Forum USB (USB-IF) rozszerzyło standardy USB 2.0 oraz USB 3.1 o specyfikację zasilania przez USB. Specyfikacja ta pozwala na dostarczenie mocy do 100 W (20 V / 5 A). Zasilanie przez USB działa najlepiej ze złączami USB typu C określonymi przez USB-IF oraz przewodami, które spełniają standardy transmisji USB 3.1 2. generacji (10 Gbps). Nowe rozwiązanie pozwala na podłączenie wtyczki w dowolnej orientacji, co ułatwia pracę. Dwustronne 24-pinowe złącza USB typu C zawierają linie wysokiej szybkości i ulepszony interfejs zasilania.

Hosty USB, urządzenia podrzędne i akcesoria mogą negocjować możliwość dostarczenia mocy za pośrednictwem protokołu komunikacji USB PD. Jest on obsługiwany przez nowy kanał konfiguracji (CC). Procedura handshake ustala relację producent-konsument i sprawdza maksymalny obsługiwany profil zasilania. Poniższy diagram wyjaśnia różnice między topologiami USB PD obsługiwane przez urządzenia zasilające, urządzenia pobierające energię lub urządzenia wielofunkcyjne.

Interfejsy USB typu C dostarczają moc za pośrednictwem czterech par pinów zasilania (Vbus). Grupa USB-IF zdefiniowała pięć różnych profilów dostępnych dla użytkowników.

Kable w pełni zgodne ze specyfikację USB typu C i adaptery maja elektroniczne znaczniki (e-mark) i zawierają identyfikator oraz układ scalony, który jest dostępny za pomocą interfejsu CC. Test funkcjonalności e-mark jest częścią testu zgodności (CTS) zasilania USB.

Integralność warstwy fizycznej BMC

Protokół USB PD wykorzystuje do komunikacji przez interfejs CC kod bifazowy (BMC) – przekazuje w ten sposób informacje o profilach zasilania między dwoma urządzeniami z interfejsem USB typu C.

 Aby zapewnić współpracę między podukładami i urządzeniami USB i uniknąć jakichkolwiek uszkodzeń na skutek przeciążenia napięciowego lub prądowego, sygnały BMC muszą być przesyłane zgodnie ze standardem. Warstwa fizyczna BMC jest zatem testowana z maską zgodności. Zmodulowane sekwencje sygnałów zawierające logiczne „0” i „1” są badane oddzielnie przez dwa różne profile maski pokazane niżej.

Testy i pomiary

Test zgodności USB PD potwierdza odpowiednią moc podczas na łączu CC podczas negocjacji interfejsów USB typu C dla szybkości transferu od 270 do 330 kbps, ponadto sprawdza jakość zasilania dostarczonego przez piny Vbus. Najważniejsze parametry wymagane od oscyloskopu podczas testów USB PD to duży zakres dynamiczny, szybka akwizycja i przetwarzanie, jak również impedancja wejściowa sond prądowych równa 1 M?.

Rohde & Schwarz we współpracy z Granite River Labs (GRL) oferuje rozwiązanie do testów zgodności wykorzystujące oscyloskop cyfrowy R&S RTE lub R&S RTO. Oprogramowanie do analizy GRL-USB-PD opracowane przez GRL steruje przyrządami testowymi w wykonuje testy elektryczne oraz testy protokołu.

Konfiguracja testowa

Konfiguracja testowa zależy od funkcji badanego urządzenia. W każdym z przypadków oscyloskop R&S RTE lub R&S RTO rejestruje przebiegi USB PD w celu analizy zgodności i weryfikacji protokołu. Do pomiaru napięcia Vbus i prądu płynącego przez pin zasilania Vbus potrzebna jest pasywna sonda napięciowa i sonda prądowa. Druga sonda napięciowa jest podłączona do łącza komunikacyjnego CC. Test kabli i adapterów USB typu C polega głównie na zbadaniu kodu e-mark dla łącza CC.

Narzędzie do testów zgodności GRL-USB-PD

Firma GRL opracowała oprogramowanie testowe GRL-USB-PD do testów zgodności USB PD, bazując na specyfikacji USB typu C. Narzędzie w oparciu o zgromadzone przebiegi wyznacza diagramy oczkowe do testów zgodności z maską i wykonuje pomiary w celu ustalenia parametrów elektrycznych. Dekoduje również sygnały BMC, aby przetestować pracę protokołów. W przypadku kabli i adapterów USB typu C narzędzie GRL-USB-PD zapewnia testy zgodności znaczników e-mark. Wraz z kontrolerem testów GRL USB typu C oprogramowanie GRL-USB-PD stanowi automatyczne rozwiązanie wykonujące testy zgodności. Po zakończeniu testu tworzony jest wyczerpujący raport.

Oprogramowanie GRL-USB-PD obejmuje następujące testy:

• Zgodność elektryczna warstwy fizycznej (MBC-PHY)
• Diagram oczkowy
• Pomiary zależności czasowych (szybkość transmisji, czas narastania)
• Sprawdzenie sumy kontrolnej
• Zgodność protokołu USB PD i dekodowanie (BMC-PROT)
• Dekodowanie pakietów na linii CC
• Dekodowanie informacji o producencie (VDM) dla kabli i adapterów USB typu C
• Testowanie wydajności układów zasilania (BMC-POW)

Kontroler testów USB typu C

Firma GRL opracowała również sprzętowy kontroler testów USB typu C o nazwie GRL-USB-PD-C1. Ma on wbudowane funkcje kontrolera USB PD i zasilacz. Łączy się z badanym urządzeniem oraz pozostałymi przyrządami testowymi. Kontroler steruje badanym urządzeniem, aby wysyłało one oczekiwany USB PD w celu przetestowania zgodności.

E-load

Do każdego testowanego profilu zasilania należy zastosować inne obciążenie, aby upewnić się, że urządzenie USB PD dostarcza odpowiedniej mocy. Elektroniczne obciążenia, na przykład firmy Chroma Systems Solutions, są w stanie symulować różne warunki zasilania.

Kontroler testu USB typu C firmy GRL (materiały producenta)

Oprogramowanie R&S RTO-K21 do badania zgodności USB

Wyzwalanie i dekodowanie USB z rozszerzeniem R&S RET/RTO-K60

Dodatkowe testy z użyciem oscyloskopów cyfrowych R&S RTE i R&S RTO

Test zgodności USB 2.0

Dzięki rozszerzeniu R&S RTO-K21 USB 2.0 oraz zestawowi testowemu R&S RT-ZF1 USB możliwe jest wykorzystanie oscyloskopu R&S RTO do testów zgodności USB w wersji 2.0, 1.1 oraz 1.0, a także interfejsu HSIC. Szybkie przetwarzanie, funkcjonalny wyświetlacz zdekodowanych danych oraz rozbudowany zestaw funkcji wyzwalania sprawia, że jest to rozszerzenie jest bardzo dobrym rozwiązaniem do testów systemów wbudowanych z interfejsem USB.