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【TECH TIPS】USB PD3.1 EPR 與其終端應用的介紹

USB 充電器(USB Power Delivery)


USB 已經從一種僅能提供有限電力的資料傳輸介面進化為主要的電力供應器,同時保留其資料傳輸介面;而今許多設備都從USB中充電或獲得電源,對於眾多小型可攜式設備,例如:手機、平板電腦、便攜式揚聲器、和其他手持設備來說,USB 已成為普遍存在的電源插座,使用者需要 USB 來滿足他們的需求,不僅僅是在資料傳輸上,還能夠簡單地為設備提供電力或充電,現代 USB 設備通常不需要額外安裝驅動程序即可使用。


然而 USB Power Delivery(USB PD)規格透過在單一傳輸線上提供更靈活的電力與資料的傳輸,從而實現了 USB 的最大功能,目標是與現有的 USB 生態系統相適應和建立。


USB PD 3.1


於 2021 年宣布的 USB PD Revision 3.1 規格是一項重大更新,USB PD 現在可以透過全功能的USB Type-C 傳輸線和連接器提供高達 240W 的功率(48V 5A),這是一個重大的升級;在此之前,USB PD 僅能使用 20V 和額定 5A 的 USB Type-C 傳輸線提供最高 100W 的功率;此外,USB Type-C 規格也已更新為 2.1 版,以定義 240W 傳輸線要求,並透過更新的 USB PD 協定和電源定義,將 USB 電源傳輸的適用範圍擴展到許多先前 100W 不足以滿足的應用中。


USB PD 3.1 提供以下功能:


  • 將現有USB標準的功率水平提高至240W 新的28V、36V和48V固定電壓,可分別實現高達140W、180W和240W的功率水平。

  • 可調節電壓供應模式: 當一個設備需要充電或獲得電源時,它可以向供應電源的充電器或其他設備提出請求,要求一個特定的電壓水平,設備可以在15V到充電器可提供的最大固定電壓之間選擇中間的電壓水平,以滿足其特定的充電需求或能源要求。

  • 電源方向不再固定: 這使得具有電源(主機或連接到USB PD系統中的其他設備)的產品能夠提供電源。

  • 優化跨多個外設的電源管理: USB PD系統允許每個外設僅獲取其所需的電源,而不是將所有可用的電力都分配給每個周邊裝置,另外,當特定應用程序需要更多電力時,系統還可以根據需要向該應用程序提供更多的電力;這種靈活的電力分配方式可以確保系統的整體能源利用率最大化,並且可以根據需求動態調整電力分配,以滿足不同外設的需求,從而優化了系統的電源管理。

  • 透過與個人電腦的選擇性集線器 (Hub) 通訊,系統可以收集有關周邊裝置的訊息,例如:其功率需求、當前狀態等,系統可以根據這些訊息動態調整電力分配,以滿足各個周邊的需求,並在需要時提供額外的電力,實現智慧靈活的系統級電源管理。

  • 允許低功率設備(如耳機)僅協商其所需的電源。


USB PD 3.1 的使用案例


  • 透過全功能 USB Type-C 傳輸線與連接器,為高達 240W 的應用提供更高功率。

  • 讓新的高功率使用案例成為可能,例如 USB 匯流排供電的硬碟(HDD)和印表機,從而省去了額外的電源適配器。

  • 一個來自牆壁電源插座供電的顯示器,可以同時為筆記本電腦供電或充電,同時還能顯示這些裝置的內容。

  • USB 電源適配器、或充電器,可以透過筆電的 USB 埠輸出電源。

  • 筆電和USB電源適配器能夠提供比標準USB規格所定義的功率更高的電源給使用電池的設備;USB規格所定義的功率水平是有限的,但是有些筆電或USB電源適配器可能支援提供更高功率的電源輸出,這種情況下,電池供電的設備就可以從筆記本電腦或USB電源適配器獲得更多的電源,以滿足其需要更多電力的情況;因此,即使USB規格本身沒有定義這些更高功率的電源供應,但透過USB PD協定的協商,筆電或USB電源適配器可以提供更高功率的電源給使用電池的設備。

  • 電池供電的設備可以從集線器 (Hub) 獲取額外的充電電流,然後在使用者的硬碟需要啟動時暫時歸還。


USB Power Delivery(USB PD)與標準USB電池充電實現並存的設計理念,如果設備包含電池充電功能、或支援主機適配器(例如底座)或ACAs,則應參考電池充電規範,以確保相容性和正確的操作;對於研發人員而言需要參考電池充電規範,以確保設備在使用這些功能時能夠遵循標準,並且保持相容性和正確的操作。


歷代PD供電規格比較


新版的 PD3.1 規範與舊版本之間的異同如下:


  • 最大輸出功率:將PD3.0的最大功率輸出100W,擴展至240W。

  • 定電壓輸出 (Fixed PDO):新增28V、36V以及48V的規格。

  • 可程式電源:延續PD3.0在100W以下的輸出規格。

  • 可調整式電壓 : 以高於20V定電壓的規格,制定新的可調式電壓。

  • 最大電流:延續PD3.0功率輸出的最大電流5A。

  • 傳輸線:制定新的EPR Cable,必須宣稱支援50V/5A以符合高於100W的EPR (Extend Power Range)輸出規格。

PD 版本

PD 2.0

PD 3.0

PD 3.1

最大輸出功率

100W

100W

240W

恆壓輸出 (Fixed PDO)

5V, 9V, 15V, 20V

5V, 9V, 15V, 20V

5V, 9V, 15V, 20V 28V, 36V, 48V

可程式電源

-

3.3 – 5.9V、3.3-11V 3.3-16V、3.3-21V

3.3 – 5.9V、3.3-11V 3.3-16V、3.3-21V

可調整式電壓

-

-

15-28V、15V-36V 15-48V

最大電流

5A

5A

5A

傳輸線

20V

20V

50V (EPR Cable)


USB PD 3.1 足以為更強大的筆電提供電源


未來大多數筆記型電腦將不再需要配備醜陋的圓形插孔和專用電源適配器來充電,USB-IF所發佈的USB PD 3.1 將功率加倍達到240W,使得您將能夠使用同一款多功能的USB-C傳輸線為幾乎所有可攜式終端裝置(如輕型筆記型電腦、平板電腦和手機)充電,除非是應對特殊應用或高規格的遊戲筆記型電腦。


此前USB-C供電規範的最高功率為100W,這在某種程度上確實限制了產業的發展,例如,某些筆記型電腦理論上可以透過USB-C充電,但需要130W的功率才能實現同時充電和全速運轉;一些製造商曾經出售不符合規格的USB-C適配器,通常具有固定的、不可拆卸的電源線,以防止誤用。


擁有240瓦的功率 — USB-IF稱之為“擴展功率範圍(EPR)”— 理論上您可以使用USB-C為一個全尺寸的遊戲筆記型電腦充電,當然,您需要新的USB-C充電器和電纜才能真正使用新的規格,但您應該能夠區分它們的不同:USB-IF對新規格的要求之一是“所有符合擴展功率範圍(EPR)的電纜都應該明確地標識為EPR電纜”,符合規範的電纜需要支援最高5安培和50伏特才能符合規範。


當然,仍然會有一些極其強大的筆記型電腦需要超過240W的功率,有些機種標配330W的電源供應器,而且總是有一些特殊的筆記型電腦需要多個電源供應器才能運作;遊戲桌機通常需要更多的電源,最新的桌面顯示卡需要650W或更高的電源供應器,而240瓦對於Sony和Microsoft的最新遊戲主機可能還不夠;但隨著時間的推移,一些電腦變得更加高效,也許再過一年或兩年,它可能就成為USB-C供電的可行選擇。


USB PD 3.1 未來的應用與發展


在USB PD3.1標準下,USB PD的應用由傳統的手機、筆記型電腦供電,擴展到便攜式設備、物聯網設備、智慧家居等領域;在USB PD 3.1協定中,EPR模式包含三個固定電壓級別,分別為28V、36V和48V,還有三個可調節電壓供應(AVS),這三個固定電壓對應於使用 6、8 和 10 cell 電池的應用,這使得USB PD非常適合於電腦、伺服器、馬達驅動器和通訊電源等設備。


值得注意的是,USB PD 3.1協定帶來了一個典型的應用擴展:為24V直流馬達驅動器提供電源,直流馬達的主要功能是將電能轉換為機械運動所需的機械能,通常用於電動工具、玩具汽車、電風扇和其他設備;根據數據顯示,2022年全球電動工具出貨量和市場規模分別達到 5.1 億台和 571.9 億美元,預計到 2026 年,出貨量將超過7億台,市場規模將達到 800 億美元,受無線電動工具發展趨勢的影響,越來越多的電動工具使用多串聯鋰電池組供電,而 USB PD 3.1 協定的推出將有效促進無線電動工具的發展,加速電動工具向 USB PD 快速充電的升級迭代。


根據 Research Nester 報告中指出,USB Type C 市場規模預計到 2035 年年底將超過 250 億美元,在 2023-2535年期間預測複合年增長為 25%,其中在智慧型手機和平板電腦中的高度使用,加上其所具備的 240W 快速充電,應為推升該市場成長的主要動力。


環球認證 - 國際市場無線通訊產品的準入要求


當計劃在目標市場推出的產品時,有很多事情需要考慮,其中最重要的之一就是確定最適合你產品的潛在市場,以及應對國際產品安全和市場進入的種種複雜情況,尤其是規定的遵循、性能測試和認證等方面。


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