USB PD相容設備設計時的注意事項

USB Power Delivery（USB PD）是能夠提供高功率供電的標準規格，廣泛應用於需要快速充電與高電力傳輸的裝置。自2024年起，隨著歐洲推行USB-C義務化與USB PD 3.1（EPR）支援的進展，設計所需滿足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 的規格與協定理解]

USB PD 是由 USB-IF 所制定，並隨著版本升級逐步擴充功能。尤其需掌握以下重點：

最大電壓與電流

USB PD 3.1（EPR）可支援最高 240W（48V、5A）。

AVS（可調電壓供應）/PPS

透過連續可調電壓供電，可實現更高效率的充電與發熱抑制，特別是內建電池的設備必不可少。

協定握手

PD 通訊需確實實作，並應具備正確處理 EPR 協商（EPR_Mode、KeepAlive、Exit 等）的設計。

[2.電力管理與散熱設計]

為抑制高功率帶來的發熱與效率降低，最適化電源設計非常關鍵。

• 電源 IC 選擇：採用高效率 DC-DC 轉換器與 PD 控制器 IC。近年 GaN（氮化鎵）元件已成主流。
  散熱對策：除散熱片與導熱墊外，電路板的熱擴散設計亦不可或缺。
• 電容優化：高頻漣波抑制採用 MLCC，低頻變動與噪音抑制則使用導電性高分子電容效果更佳。
• 電流限制電路：具備過電流保護，確保異常狀況時的安全性。

[3. PD 通訊的實作]

USB PD 透過 Configuration Channel（CC）通道進行通訊。為確保穩定性，需考量以下：

• PD 控制器選擇：根據用途選擇獨立型或 MCU 內建型。
• 適當的韌體開發：符合最新標準（PD 3.1/EPR）的軟體實作。
• 信號品質確保：除 CC 線路最佳化與抗噪設計外，還需滿足 EPR 信號要求。

[4. 接頭選擇]

接頭選擇隨著功率提升，USB Type-C 接頭與線材的要求也日益嚴格。

• 支援高電流的接頭：選擇可支援 48V / 5A 的高品質 Type-C 連接器。
• 耐用性確認：評估插拔頻率的機械可靠性。
• E-Marker 線材對應：供電 5A(最大 240W 級) 時必備。設計需可正確辨識搭載 E-Marker 的線材。

[5. 安全性與安全規範符合性]

確保 USB PD 設備的可靠性，須基於堅固的保護電路與認證設計基本原則。

• 過電流・過電壓保護：透過 FET 與保險絲實現異常隔離機制。
• 溫度監控：使用熱敏電阻與溫度感測器來控制發熱。
• 突波與軟啟動：因應 EPR 的高電壓特性，防止電壓突波與端子損傷。
• 通訊協定：內建通訊協定與控制機制，使充電器與裝置完成通訊後提供受控電力輸出。
• 電力規範：設計需符合產品設計需求、環境溫度與長時間使用下的最大功率等嚴格規格。

[6. 電源裝置的配對與設計者應採取的對策]

與電源之間的相容性會影響設備穩定性與可靠性。

• 支援多個電壓檔位：除了 5V/9V/15V/20V，也要對應 EPR 的 28V/36V/48V。
• PPS/AVS 對應：透過精細電壓控制減少發熱，提升充電效率。
• 回退功能：若 PD 通訊失敗，可切換至 USB 2.0/BC 模式或 PD3.0、2.0 模式。
• 實機驗證：與市售多款 PD 變壓器進行連接測試，確認相容性。
• E-Marker 偵測處理：能正確識別所需線材，避免過功率要求。

[7. 選擇推薦電源適配器時的注意事項]

當指定推薦適配器為產品配件時，請確認以下幾點：

• 輸出設定相符性：是否支援裝置所需的電壓與電流。
• 是否支援 PPS/AVS：若裝置可支援，此項適配器也需具備。
• 市場實績：選擇已通過相容性驗證的變壓器。
• 保護功能：挑選具備過電壓、過電流、短路保護等的高品質產品。

[8. 總結]

設計 USB PD 支援設備時，需考慮符合最新標準（PD 3.1/EPR 與 AVS）、使用 GaN 元件與適當的電容、支援 E-Marker 線材，並符合歐盟法規。根據這些條件設計可達成穩定運作與高相容性，提升用戶滿意度與市場競爭力。

為提供高品質 USB PD 產品，應著重符合最新標準並於實際環境中進行嚴格驗證。要實現高品質 USB PD 設計，除了標準與技術力之外，亦不可忽視基於實際環境的全面驗證。