USB PD相容設備設計時的注意事項

USB Power Delivery（USB PD）是使高功率電力供應成為可能的規格，廣泛應用於需要快速充電或高功率供電的設備。自2024年起，隨著歐洲推動USB-C義務化以及USB PD 3.1（EPR）支援的進展，設計所需的要求變得更加嚴格。本文將說明設計USB PD設備時的最新注意事項。

[1.USB PD 的規範與通訊協定理解]

USB PD 是由 USB-IF 制定，功能會隨著每個版本逐步擴展。特別是以下幾點非常重要。

最大電壓與電流

USB PD 3.1（EPR）最高可支援至 240W（48V，5A）。

AVS（可調電壓供應）/PPS

透過連續可變電壓供應，可提升充電效率並降低發熱。特別是在內建電池的裝置中是必要功能。

協定握手處理

PD 通訊實作須準確無誤，並能正確處理 EPR 協商（如 EPR_Mode、KeepAlive、Exit 等）。

[2.電源管理與散熱設計]

為抑制因高功率造成的發熱與效率下降，需進行電源設計最佳化。

• 電源 IC 選擇：採用高效率 DC-DC 轉換器或 PD 控制器 IC。近年主流為 GaN（氮化鎵）元件。發熱對策方面，除使用散熱片與導熱墊外，電路板的熱擴散設計亦十分重要。
• 電容器最佳化：MLCC 適合高頻漣波對策，低頻變動或雜音問題則可使用導電性高分子電容器更有效。
• 電流限制電路：具備過電流保護功能，確保異常時的安全性。

[3. PD 通訊實作]

USB PD 採用 CC（Configuration Channel）線進行通訊。為確保可靠性，須考量以下幾點。

• PD 控制器選擇：依應用選擇獨立型或 MCU 內建型產品。
• 適當的韌體開發：軟體實作須符合最新規範（PD 3.1/EPR）。
• 訊號品質確保：優化 CC 線佈線、防止雜訊，並因應 EPR 訊號需求。

[4. 接頭選擇]

接頭選擇隨著高功率化發展，USB Type-C 接頭與線材的要求也越來越嚴格。

• 高電流對應接頭：選擇支援 48V ・5A 的高品質 Type-C 接頭。
• 耐用性確認：針對頻繁插拔進行機械耐久性評估。
• E-Marker 線材對應：設計能正確辨識搭載 E-Marker 的線材，以支援 5A（最高 240W 級）輸出。

[5. 安全性與安全標準符合性]

為確保 USB PD 裝置的可靠性，須具備嚴密的保護電路以及符合認證的設計原則。

• 過電流・過電壓保護：透過 FET 或保險絲等元件，在異常時中斷電源。
• 溫度監控：利用熱敏電阻或溫度感測器控制發熱。
• 浪湧與緩啟動功能：因應 EPR 高電壓，防止電壓變動產生浪湧或端子損傷。
• 通訊協定：內建的通訊協定與控制功能可讓充電器在與裝置完成通訊後，再提供充電控制輸出。
• 電力規範：設計需基於嚴格的規格，包括產品要求、周圍氣溫、長時間使用時的最大功率等條件。

[6. 與電源裝置的相容性與工程師應採取的對策]

與電源裝置的相容性會直接影響裝置的穩定性與可靠性。

• 多種電壓檔位支援：除 5V/9V/15V/20V 外，在 EPR 下還需考慮 28V/36V/48V。
• PPS/AVS 支援：細緻電壓控制可降低發熱並提升充電效率。
• 回退機制：PD 通訊失敗時可切換至 USB 2.0/BC 模式或 PD 3.0 、2.0 模式。
• 實機測試：與市售多種 PD 變壓器連接進行測試以確認相容性。
• E-Marker 偵測處理：可正確辨識必要線材，避免超出功率限制。

[7. 推薦電源變壓器選擇時的注意事項]

若要為產品推薦特定變壓器，請確認以下幾點。

• 輸出檔位一致性：是否支援裝置所需的電壓與電流。
• PPS/AVS 支援與否：若裝置支援這些功能，變壓器方面必須對應。
• 市場實績：選擇已通過相容性驗證的變壓器。
• 保護功能：選擇具備過壓、過電流、短路保護等高品質產品。

[8. 總結]

在設計 USB PD 對應設備時，需符合最新規範（PD 3.1/EPR 與 AVS）、採用 GaN 元件與適切電容器、支援 E-Marker 線材，並滿足歐盟法規。若整合以上重點設計，能確保穩定運作並提高產品相容性，進而提升用戶滿意度與市場競爭力。

為提供高品質的 USB PD 產品，設計時應重視符合最新規範與實際環境下的測試驗證。不僅要有符合規格的設計與技術能力，也不可忽視基於實際環境的嚴格驗證。