USB Type-C 與 PD：EU RED 及 IEC 62368-1 關鍵要求 (USB Type-C & PD Compliance: Key EU & IEC Standards)
- Sonya Chan
- 2024年9月4日
- 讀畢需時 11 分鐘
隨著技術的不斷進步和全球安全標準的實施，USB Type-C和電力傳輸系統的設計和驗證變得越來越關鍵，確保這些設備符合IEC 62368-1和EU RED等相關標準，不僅能保護消費者的安全，還能提高市場上產品的品質和信任度，透過遵守這些規範，設備製造商可以確保他們的產品在全球市場上的競爭力和合規性。
本文將分享關於 USB Type-C 和電力傳輸（Power Delivery, PD）與IEC 62368-1標準及歐盟無線電設備指令（EU RED）合規性。
USB Type-C 和電力傳輸的背景
USB Type-C 是現代電子設備的一個標準介面，因為它具有可逆性（即不分正反方向插入），並且支援更高的電力傳輸能力和資料傳輸速度，隨著技術的進步，USB Type-C 的應用範圍越來越廣泛，能夠為包括筆記型電腦、智慧型手機、顯示器等設備提供高達240W的電力傳輸能力，此技術的擴展使得不同設備之間的多任務操作成為可能，例如：充電、資料傳輸和顯示連接都可以透過一根電纜來實現。
USB Power Delivery 規範的近期發展
USB Power Delivery 3.1 規範擴充了USB Type-C 介面的最大功率範圍，從以前的100W增加到240W，這一變化使得更大功率的設備（如筆記型電腦和顯示器）能夠透過USB Type-C 介面獲得足夠的電力支援，特別是USB Power Delivery 3.1 規範中的擴展功率範圍（Extended Power Range, EPR），將USB Type-C 介面的最大功率輸送能力，從原來的標準功率範圍（SPR）100W提升到最高240W，這表示除了標準功率模式外，USB Type-C 現在可以支援更高功率的電力傳輸，適合更大功率需求的設備，如高性能筆記型電腦、大尺寸顯示器、和其他需要高功率供應的裝置；EPR的推出讓這些設備在需要時獲得更多的電力，並提高了USB Type-C 介面的應用靈活性和使用效率。
在USB Power Delivery 3.1的架構下，電力的方向不再是固定的，這使得任何具有電力供應能力的產品（無論是主機還是周邊裝置）都能夠提供電力，此外，這種靈活性優化了多個周邊設備之間的電力管理，使每個設備根據自身需求獲取所需的電力，舉例來說，如果一台筆記型電腦和一部智慧型手機同時連接到同一個USB Type-C介面，智慧型手機可能只需要少量電力進行充電，而筆記型電腦則需要更多的電力來支援其運行，這時USB Power Delivery技術會根據各設備的需求動態分配電力，確保智慧型手機獲得足夠的充電電力，而筆記型電腦在需要時可以獲得更高的功率供應，這樣不僅提高了整體用電效率，也確保了所有設備的最佳運行狀態；然而功率超過100W的傳輸需要具備擴展功率範圍（Extended Power Range, EPR）能力的電源（Source）和負載（Sink）以及EPR能力的電纜。
新規範還引入了可調電壓供應（Adjustable Voltage Supply, AVS）模式，除了原有的固定電壓和可編程電源供應（Programmable Power Supply, PPS）模式外，進一步提升了設備之間電力管理的靈活性和效率，因此設備能夠更高效地分配電力，從而提高整體運行效率和設備壽命。
除此之外，USB Type-C支援各種USB規範，如USB 3.1 Gen 2和USB4，能夠提供更快的資料傳輸速度達到最高40 Gbps，這種高速資料傳輸能力對於需要快速文件傳輸、大型資料備份、和4K/8K超高清顯示器連接的應用尤為重要。
EPR、SPR、AVS、PPS 比較表
以下是 EPR（Extended Power Range, 擴展功率範圍）、SPR（Standard Power Range, 標準功率範圍）、AVS（Adjustable Voltage Supply, 可調電壓供應）和 PPS（Programmable Power Supply, 可編程電源供應）的比較表格，包括它們的最大功率範圍、應用場景、和技術要求等，這些差異可以幫助使用者和開發者選擇最適合其需求的USB Type-C電力傳輸模式。
特性 | EPR (擴展功率範圍) | SPR (標準功率範圍) | AVS (可調電壓供應) | PPS (可編程電源供應) |
最大功率範圍 | 高達240W | 高達100W | 根據應用需求可調，高達240W | 通常高達100W，可調電壓 |
應用場景 | 高功率設備，如筆記型電腦、顯示器 | 日常設備，如智慧型手機、平板電腦 | 需要精細電壓調整的設備 | 需要精確電壓/功率調整的設備 |
電壓範圍 | 28V、36V、48V等 | 5V、9V、15V、20V等 | 可調電壓（18V至48V之間） | 可編程電壓範圍（3.3V至21V或更高） |
電纜要求 | 需要EPR能力的電纜 | 標準USB Type-C 電纜 | 需要支援更高電壓的電纜 | 需要PPS能力的電纜 |
功率方向 | 雙向，支援主機或周邊供電 | 雙向，支援主機或周邊供電 | 雙向，根據設備需求調整供電 | 雙向，根據協定調整供電 |
適用標準 | USB PD 3.1 | USB PD | USB PD 3.1 | USB PD 3.0或更高 |
適用性 | 適用於高功率需求的情況 | 適用於大多數常見設備和日常使用情況 | 適用於需要精確電壓調整的情況 | 適用於需要精確控制功率輸出的情況 |
充電模式/功率配置
這張表格詳細列出了各種充電模式和功率配置的比較，以便更清楚地了解不同模式下的電壓、電流和功率範圍。
充電模式 | 可用電壓與電流 | 功率範圍 | 備註 |
固定電壓充電：標準功率範圍（SPR） | 3A：5V、9V、15V、20V 5A¹：20V | 15 – 60W 60 – 100W | 與上一版本相比無變化 |
可編程電源供應（PPS）：標準功率範圍（SPR） | 3A： 5V Prog (3.3-5.9V), 9V Prog (3.3-11V), 15V Prog (3.3–16V), 20V Prog (3.3 – 21V) 5A¹： 20V Prog (3.3 – 21V) | 15 – 60W
60 – 100W | 與上一版本相比無變化 |
固定電壓充電：擴展功率範圍（EPR） | 3A：5V、9V、15V、20V 5A²：20V 5A²：28V、36V、48V | 15 – 60W 60 – 100W 100 – 240W | 新增功能僅在EPR模式下可用。 |
可調電壓供應（AVS）：標準功率範圍（SPR）擴展功率範圍（EPR） | 5A²： 28V Prog (18V - 28V), 36V Prog (18V - 36V), 48V Prog (18V - 48V) 5A¹： 20V Prog (9V – 20V) 3A： 15V Prog (9V -15V), 20V Prog (9V – 20V) |
90 – 140W 90 – 180W 90 – 240W
>60 – 100W
>27 – 45W >60 – 100W | 新增功能僅在EPR模式下可用。 |
備註：
需要 5A E-marker 電纜。
需要 EPR 能力的電纜。
USB Type-C 擴展功率範圍 (EPR) 和標準功率範圍 (SPR) 的運作模式
接下來說明 USB Type-C 介面在不同功率需求下的運作模式，特別是當需要更高功率時如何運作，以及如何在標準和擴展模式之間切換，這些資訊對於了解如何安全地使用高功率設備以及設備之間的互操作性是很重要的。
1. 標準功率範圍 (SPR) 和擴展功率範圍 (EPR) 的概念
標準功率範圍 (SPR): 這是USB Type-C的一種基本充電模式，使用稱為電力資料對象（PDOs）的方式來協商電力合約，這種模式適合一般的充電需求，最高支援100W的功率。
擴展功率範圍 (EPR): 這是一種專門為需要更高功率的設備設計的充電模式，EPR模式允許協商更高的功率配置，能支援超過100W的電力傳輸，最高可達240W。
2. 功率超過100W的傳輸條件
當需要超過100W的電力傳輸時，必須使用支援EPR模式的設備和電纜，只有在已知的EPR能力的電源（Source）和負載（Sink）之間，並透過支援EPR的電纜，才能進行這種高功率的電力傳輸。
3. EPR模式的靈活性
EPR電源（Sources）: 這些設備能夠以固定電壓或可調電壓（AVS）的方式運作，這提供了更大的靈活性，允許根據設備需求調整電壓供應。
4. 通訊中斷的影響
如果在EPR模式下，電源和負載之間的通訊中斷，系統將會進行硬重置 (Hard Rest)，並返回到標準功率範圍（SPR）模式；這是一種安全措施，防止設備在沒有足夠監控的情況下過度耗電。
5. EPR模式的運作流程
EPR模式進入和退出: 當設備進入EPR模式時，首先會建立一個標準功率範圍的合約，然後透過檢查電纜是否支持EPR來決定是否可以進入EPR模式，一旦確認，可以進入EPR模式並協商更高的功率配置；在退出EPR模式時，系統將再次回到標準功率範圍的運作模式。
EPR模式的運作流程 (進入和退出) (圖片來源: GRL)
USB Type 認證
USB Type-C 認證過程中涉及的兩種類型的測試：USB介面標準測試和法規標準測試，這些測試確保USB Type-C設備的互操作性、安全性和合規性，讓我用簡單的方式解釋這兩種類型的測試：
USB 界面標準測試（USB Interface Standard Testing/Compliance Test）
這類測試主要關注設備是否符合USB介面的技術標準，它是為了確保不同的USB設備之間能夠正確配合工作（互操作性, Interoperability），這些測試由USB-IF（USB Implementers Forum，USB實施者論壇）制定，並在獲認可的實驗室進行，透過測試的設備會獲得一個認證標誌（例如：USB標誌），這表示該設備符合USB標準。
法規標準測試（Regulatory Standard Testing）
這類測試主要關注設備的安全性和性能，確保其操作的安全性和相容性，這些測試是由國家主管部門規定的，必須在經過核准的實驗室中進行，測試合格的產品將獲得法規合規的證書（如CE、CB、NRTL等），這些測試確保產品符合特定的國際標準（如IEC 62368-1、IEC 62680-1-2、IEC 62680-1-3等），確保設備使用過程中的安全和性能。
項目 | USB 介面標準測試 | 法規標準測試 |
要求 | USB-IF的標誌測試要求 | 法規要求 |
主管機構 | USB-IF⮕核准的實驗室 | 國家主管部門⮕核准的實驗室 |
測試內容 | 符合標準 | 安全和性能 |
結果 | 產品互操作性 | 安全操作及其相容性 |
典型標準 | USB、DisplayPort、Thunderbolt等 | IEC 62368-1、IEC 62680-1-2、IEC 62680-1-3 |
產品證書 | 介面標誌 | CE / CB Scheme / NRTL/ GS 等 |
這個表格詳細列出了USB Type-C 認證過程中涉及的兩種類型測試的關鍵資訊
合規性測試和挑戰
合規性測試 (Compliance) 對於USB Type-C 設備非常重要，它確保設備在指定標準下運行並防止潛在的安全風險，為了符合USB-IF的合規性標準，產品必須經過廣泛的測試，以確保互操作性和性能的穩定性，同時保護消費者免受潛在的安全風險。
在高功率USB Type-C 設計中，合規性測試面臨著多重挑戰，包括：
安全風險：更高的功率等級增加了火災和電擊的風險，因此必須進行功能安全測試以確保符合IEC 62368-1標準。
互操作性：必須確保設備之間的相容性，以防止任何協定錯誤或時間誤差。
可靠性：在產品的設計過程中，必須考慮到環境溫度變化和內部組件可能發生的變化（例如：隨著時間推移或不同操作條件下材料特性的變化），以確保設備在這些條件下仍能可靠地運行，以保持長期的穩定性。
IEC 62368-1 標準的應用及其重要性
IEC 62368-1 標準作為一項全球通用的電氣安全標準，重點在於保障影音（Audio/Video）設備和資通訊技術（ICT）設備在不同使用條件下的安全性。
IEC 62368-1 的背景與重要性
IEC 62368-1 是一項針對影音和ICT設備的電氣安全標準，涵蓋了包括電擊 (Electric Shock)、火災 (Fire)、危險物質 (Hazardous substances)、機械傷害 (Mechanical)、熱傷害 (Thermal injury) 和輻射 (Radiation) 等多種潛在危害，這些標準採用危害為基礎的安全方法，要求設備在正常運作和單一故障條件下都能保持安全，這樣的設計原則確保了設備在各種情況下的使用安全。
該標準已在全球範圍內廣泛採用，並被許多國家和地區作為國家標準來執行，例如：歐盟、印度、美國、和加拿大等國家均已將IEC 62368-1標準本地化，制定符合當地市場需求的電氣安全標準，這樣的全球化推廣，有助於製造商更容易符合各國的市場準入要求，從而提高產品的國際競爭力。
IEC 62368-1 標準涵蓋的風險類型
IEC 62368-1 標準重點關注多種設備使用時可能面臨的危害，包括：
電擊（Electric Shock）：防止用戶接觸到危險的電流或電壓。
火災（Fire）：確保設備在高功率輸出或內部故障時不會成為火災的引燃源。
危險物質（Hazardous Substances）：限制有害化學物質的使用，確保在正常使用或意外損壞時不會對人員造成危害。
機械傷害（Mechanical）：減少設備操作過程中的機械損傷風險。
熱傷害（Thermal Injury）：防止設備在運行過程中過熱，導致使用者燙傷。
輻射（Radiation）：控制設備發出的電磁輻射量，避免對人體健康造成長期影響。
USB Type-C 設備的應用與合規要求
隨著USB Type-C技術的普及，其在高功率傳輸方面的應用也越來越廣泛。根據IEC 62368-1標準，不同功率範圍的USB Type-C設備需要滿足特定的安全要求：
低功率設備（< 15W）：這類設備被歸類為PS1類別。通常這些設備無需額外的安全措施，但仍需符合基本的電氣安全要求。
中功率設備（< 100W）：被歸類為PS2類別的設備，也無需額外的安全措施。然而，這些設備需要進行功能安全測試，以確保在使用過程中不會因電流過大或設備故障而引發安全問題。
高功率設備（> 100W）：這類設備被歸類為PS3類別，必須能夠處理超過100W的功率傳輸。這些設備需要進行嚴格的功能安全測試，確保在高功率運行下的安全性。特別是，這些設備的外殼必須使用高耐火性材料（如V1或更好的材料），並設計具備防止超過100W電力輸入的功能或直接拒絕接受超過100W的電力。
EC 62368-1 標準在 USB Type-C 設計中的應用
為了符合 IEC 62368-1 標準，設計 USB Type-C 設備時需要進行特定的安全評估，以下是針對不同類型 USB Type-C 設備的詳細流程描述，以確保設備滿足所有安全規範：
對USB Type-C高功率設備的安全影響
當USB Type-C PD（電力傳輸）超過100W時，這些設備被認為是潛在的火災風險源（PS3類別），除非它連接到設計為能夠處理超過 100W 電力的合適設備，否則必須採取額外的安全措施，例如：使用具有高熱阻材料的防護機制，確保即使設備發生故障也不會引發火災。
設備類型 | IEC 62368-1 電力源分類 | 電纜要求 | 接收端設備要求 |
15W Type-C | PS1 | 無需額外要求 | 需要進行功能安全測試 |
< 100W Type-C (USB PD - SPR) | PS2 | 無需額外要求 | 需要進行功能安全測試 |
> 100W (USB PD - EPR) | PS3 | 電纜必須能處理超過100W的功率，需具備e標記 | 必須設計成可接受超過100W的電力；外殼需耐火，材料達到V1等級或更高，或拒絕接受超過100W的電力 |
遵守EU RED指令的要求
根據歐洲聯盟無線電設備指令 (RED) 2014/53/EU 附錄 1a 第1部分，使用 USB Type-C 充電介面的無線電設備需要滿足一系列特定要求，以確保其在安全性和相容性方面達到歐盟標準。
首先，所有具備有線充電能力的無線電設備類別或類型，必須滿足以下條件：
配備 USB Type-C 插座：設備必須安裝 USB Type-C 插座，這一要求由標準 EN IEC 62680-1-3:2021 所規定，該標準詳細描述了資料和電力傳輸用的通用串列匯流排 (USB) 介面的規範，插座必須在任何情況下保持可操作和可存取狀態，確保使用者能夠隨時進行充電。
支援透過電纜充電：設備還必須能夠使用符合 EN IEC 62680-1-3:2021 標準的電纜進行充電，這表示設備應與標準 USB Type-C 電纜相容，這些電纜的結構和性能必須符合歐盟的規範要求，以確保安全性和效率。
其次，對於那些能夠透過有線充電且功率需求更高的設備（例如，充電電壓超過5V、電流超過3A、或功率超過15W），指令進一步提出了以下要求：
整合 USB Power Delivery (PD) 功能：這些高功率設備必須整合 USB Power Delivery (PD) 功能，這一要求由 EN IEC 62680-1-2:2021 標準所確定；USB Power Delivery 規範允許設備根據需求進行更高效的電力分配，提升充電速度並支持更多功能。
確保充電協定的完整性和兼容性：設備應確保其支援的任何額外充電協定不會影響 USB Power Delivery 的完整功能性，無論使用何種充電設備，USB PD 的功能必須得以完全保留和發揮。
即將驗證/受影響的產品
根據最新的 CE 標誌（RED 指令）規定，以下類別的產品將受到影響，並需進行嚴格的合規性驗證：
自 2024 年 12 月 28 日起生效
這些產品類別必須符合一系列的安全和合規要求，包括電氣安全、電磁相容性（EMC）、無線通訊、USB Type-C 和 IEC 標準合規性、網路安全（需於2025年8月前達成）、以及ROHS / WEEE / REACH等環保標準：
手機 (Mobile phones)
平板電腦 (Tablets)
數位相機 (Digital cameras)
耳機 (Headphones)
耳麥 (Headsets)
便攜式揚聲器 (Portable speakers)
電子閱讀器 (E-readers)
鍵盤 (Keyboards)
滑鼠 (Mouse)
便攜式導航系統 (Portable navigation systems)
耳塞 (Earbuds)
手持遊戲機 (Handheld videogame consoles)
自 2026 年 4 月 28 日起生效
筆記型電腦（Laptops）將需要符合相同的一系列要求。
