USB-IF PD 3.1－EPR規格與進出EPR Mode的程序

Granite River Labs, GRL
蔡宗儒 Vince Tsai

依照目前USB-IF的規定，自2022/01/01起，欲取得USB Power Delivery認證的產品，必須符合PD3.1 測試規範，若想詳細了解PD3.1測試規範所新增的項目，可以先參考GRL推出的另一篇技術文章：USB-IF最新PD規範 – PD3.1 規格介紹。而此篇文章主要會透過實際測試的原始資料報告結合測試規範的內容，呈現測試過程中EPR Source與Sink雙方的行為。而文章中所使用的Log，是透過GRL USB Type-C® Power Delivery EPR測試分析儀所產生的結果。

歷代PD供電規格比較

開始介紹EPR進出Mode的程序之前，必須知道新版的PD3.1規範與舊版本之間的差異，以便了解EPR在PD3.1中扮演的重要性，一般電流電壓規範請參考下方統整與表1；PPS與AVS差異請參考表2。欲了解EPR線纜規格說明可參考前面提到的技術文章 : USB-IF最新PD規範 – PD3.1 規格介紹。

• Maximum Power : 將PD3.0的最大功率輸出100W，擴展至240W。
• Fixed PDO : 定電壓的輸出，新增28V、36V以及48V的規格。
• Programmable Power : 延續PD3.0在100W以下的輸出規格。
• Adjustable Voltage : 以高於20V定電壓的規格，制定新的可調式電壓。
• Maximum Current : 延續PD3.0功率輸出的最大電流5A。
• Cable :制定新的EPR Cable，必須宣稱支援50V/5A以符合高於100W的EPR輸出規格。

表1：歷代PD供電規格

表2：PPS與AVS差異

進出EPR Mode的程序

以下會透過測試的Log與步驟來實際呈現EPR Source/Sink，如何進入與離開EPR Mode。

Step1 – Explicit PD Contract

此階段，Source/Sink會確認雙方是否都有宣告支援 EPR Mode：

1. Source/Sink，需要先建立 Explicit PD Contract。
2. 在Source Capabilities與Request Message中，檢查雙方是否有宣告支援EPR Mode。
   1. EPR Mode Capable – Source/Sink用來宣告是否支援 EPR Mode。

圖1：Source/Sink建立PD Contract

Step2 – Enter EPR Mode

在該階段，雙方會發送EPR Mode_Enter/Ack/Succeeded/Failed/Exit，確認雙方的需求與回應 :

1. Sink發送EPR Mode_Enter，向Source表示要進入EPR Mode。
   圖2：Sink發送EPR Mode_Enter
2. Source確認有支援EPR Mode後，發送EPR Mode_Enter Acknowledged，向Sink表示允許進入EPR Mode。
   
   圖3：Source發送EPR Mode_Enter Acknowledged
3. 依照帶線或是不帶線的產品，有兩種不同的行為：

1. 1. 不帶線的產品：需先發送Discover ID Request，確認線材規格是否宣稱可承受50V/5A之後，才能發送EPR Mode_Enter Succeeded，向Sink表示成功進入EPR Mode。
   2. 帶線產品：直接發送 EPR Mode_Enter Succeeded，向Sink表示成功進入EPR Mode。

圖4：Source發送EPR Mode_Enter Succeeded

Step3 – PD Negotiation in EPR Mode

在該階段，雙方會在EPR Mode中，建立EPR PD Contract :

1. Source發送EPR_Source_Capabilities，向Sink宣告其在EPR Mode中的供電能力。
   1. SPR – PDO#1~PDO#7
   2. EPR – PDO#8~PDO#13
2. Sink依照需求選擇PDO，填入EPR_Request中並傳送給Source。

圖5：Source發送EPR_Source_Capabilities with SPR and EPR PDOs

Note:
SPR PDO : Data Objects 1~7組需填入SPR PDO，若不足7組，則寫入0補滿。
EPR PDO : Data Object 8~13組需填入 EPR PDO，若不足6組，不須寫入0補滿。

Step4 – Maintain Communication in EPR Mode

在該階段，Source會確認Sink是否仍保持在EPR Mode中 :

1. Sink在EPRKeepAliveTimer timeout後，發送EPR_KeepAlive，向Source宣告雙方目前仍保持溝通。
2. Source收到Sink的EPR_KeepAlive後，發送EPR_KeepAive_ACK，並停止SourceEPRKeepAliveTimer。
   1. 若SourceEPRKeepAliveTimer timeout，則Source會發送Hard Reset，強制中止EPR Mode。

圖6：Sink發送EPR_KeepAlive

Step5 – Exit EPR Mode

Source/Sink若想離開EPR Mode皆可主動發起EPR Mode_Exit離開，但必須遵守以下規定 :

1. 必須將電壓下降至定電壓20V以下(包含20V) :
   1. Source發送EPR_Source_Capabilities重新建立溝通，且其中不包含EPR PDO的宣告。
   2. Sink發送EPR_Request，並宣告要求SPR PDO。
   
   圖7：Sink發送EPR_Request with SPR PDO#1
2. 達到上述條件後，電壓應下降至20V或是更低，此時Source/Sink任一方都可發起EPR_Mode_Exit來向對方表示要離開EPR Mode。
   
   圖8：Sink發送EPR_Mode_Exit with Vbus 5V
3. 收到EPR_Mode_Exit後，Source必須在tFirstSourceCap時間內發送Source Capabilities，以重新回到SPR Mode。完成SPR PD Contract後，即完成了EPR的進入與離開。
   
   圖9：Source發送Source Capabilities

結論

USB-IF在PD 3.1推出EPR Mode，使PD的功率輸出提升至240W，以便能更廣泛地應用在各類型的產品上；然而高瓦數的輸出方式，必然帶著相對高的安全性風險，對此USB-IF在PD3.1 SPEC特別針對EPR Mode制定了相對應的運作方式，為的是在提升功率輸出的同時，能降低安全性的疑慮，因此對於EPR Mode所制定的相關規則或運作模式才會相對複雜。
USB-IF近年不斷在Power Delivery功能上做出創新，且制訂相對應的規定以降低安全性的疑慮，我們可以期待Power Delivery未來將導入到更多元的產品。

參考文獻

1. USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.0, May 2021
2. Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021

作者
GRL 台灣 FAE工程師 蔡宗儒 Vince Tsai

畢業於國立成功大學航太系。

具USB Power Delivery相關測試經驗，熟悉USB-IF PD Compliance測試規範。希望能夠協助客戶PD 方面的問題，以順利取得認證。