Compliance-fähige USB-C-Designvorlage für die EU-Vorgaben zum einheitlichen Ladegerät

Kernaussagen

• Die Auswahl des Power-Delivery-(PD-)Controllers bestimmt das Design; die Ladebereitschaft umfasst das PD-Verhalten, Schutzmaßnahmen, Kabel sowie die thermische Validierung.
• Die USB-IF-Kabelzertifizierung hat jetzt zwei Stufen, 60 W und 240 W, wodurch Kabel- und eMarker-Entscheidungen in die Beschaffung verlagert werden.
• USB-IF bietet zwei Wege für die USB-Konformitätsdokumentation; EMC-, Sicherheits-, RoHS- und RED-Compliance laufen separat. 
• Die technische Dokumentation und das Verpackungsdesign sind zentrale Bestandteile des Compliance-Pakets.

Der Blueprint in fünf Fragen

Stellen Sie sich dieses Meeting vor: eine Design-Review vor der Freigabe für ein tragbares 65-W-Produkt. Während der Hardware-Verantwortliche das USB-C-Subsystem erläutert, stellt der Compliance-Verantwortliche fünf Fragen: 

1. Welcher PD-Controller? 
2. Welcher Schutz auf den Leitungen Configuration Channel (CC) und Sideband Use (SBU)? 
3. Welches Kabel wird mitgeliefert? 
4. Welcher Testpfad erzeugt den Konformitätsbericht? 
5. Was gehört in die technische Dokumentation? 

Für Produkte, die für den EU-Markt gemäß der Richtlinie (EU) 2022/2380 (der Common Charger Directive) vorgesehen sind, sollten diese Antworten bereits im Projektplan feststehen, bevor das Layout finalisiert wird.

Diese fünf Fragen definieren den Blueprint. Jede davon entspricht einer Entscheidung, die Sie während des Designs treffen, und die folgenden Abschnitte beantworten sie der Reihe nach – von der Controller-Auswahl bis zur technischen Dokumentation.

1. Auswahl des PD-Controllers

Gemäß der Mitteilung der Kommission 2024/C 2997 muss Funkanlagen, die mit mehr als 15 W, 5 V oder 3 A geladen werden, USB Power Delivery unterstützen. Drei Entscheidungen bestimmen die Auswahl des PD-Controllers:

Leistungsrolle

Ein Gerät, das nur Leistung aufnimmt, ist ein Sink; eine Powerbank, ein Laptop oder ein Hub, das bzw. der beides kann, ist ein Dual-Role-Power-(DRP-)Port. Die Rolle legt den CC-Pull-Abschluss und die Controller-Klasse fest: Reine Sink-Produkte verwenden einfachere, kostengünstigere Controller, während DRP bidirektionale Leistungspfade und Schutz auf beiden Seiten erfordert. Die Richtlinie regelt die Ladeschnittstelle, daher benötigt jedes betroffene Gerät einen konformen Sink, auch wenn es zusätzlich Leistung bereitstellt. 

SPR versus EPR

Der Standard Power Range (SPR) von USB PD umfasst Profile bis 100 W. USB PD 3.1 führte Extended Power Range (EPR) ein und erhöhte den unterstützten Bereich auf 240 W mit neuen festen Pegeln bei 28 V, 36 V und 48 V. Designs über 100 W fallen in den EPR-Bereich; viele tragbare 65-W-Designs bleiben bei SPR.

Integriert versus aufgeteilt (TCPM/TCPC)

Standalone-Controller kombinieren die Type-C Port Manager-(TCPM-)Policy-Engine und die Type-C Port Controller-(TCPC-)Physical Layer auf einem Chip. Bei aufgeteilten Designs läuft die TCPM-Policy auf einem Host-MCU mit einem separaten TCPC-IC über I2C. Integrierte Lösungen vereinfachen die Inbetriebnahme; aufgeteilte Lösungen bieten mehr Flexibilität für Multiport- oder benutzerdefinierte Policy-Anwendungen.

Zu den USB-PD-Controllern und Power-Management-Bauteilen gehören TI's TPS25751 und TPS26750, die Sink-Controller AP33771C und AP33772S von Diodes, Infineon's EZ-PD^™ PMG1 family sowie Renesas’ USB-C PD EPR silicon.

2. Portschutz und thermisches Design

Das 0,5-mm-Pinraster von USB-C platziert die CC- und SBU-Leitungen neben VBUS, das bei SPR bis zu 20 V und bei EPR bis zu 48 V führt. Ein verbogener Pin, leitfähige Verunreinigungen oder ein fehlerhaftes Kabel können VBUS auf eine dieser Leitungen kurzschließen und den PD-Controller beschädigen. Auch die Buchse selbst stellt ein mechanisches Risiko dar: Eine gerissene Lötstelle am Port ist eine häufige Ursache für Feldrückläufer.

Drei Fehlermodi bestimmen die Auswahl der Schutzbauteile: 

Entladung und Überspannung auf CC und SBU

Elektrostatische Entladung (ESD) und Überspannungsereignisse auf diesen Leitungen erfordern diskrete TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor) mit einer Betriebsspannung oberhalb der maximal zu erwartenden VBUS-Spannung (20 V für SPR, 50 V für EPR). Semtech's µClamp family und entsprechende Lösungen von TDK und Bourns bewältigen transiente Ereignisse. Integrierte Alternativen wie TI TPD8S300, Diodes DPO2036, Kinetic KTU1101 und ST TCPP kombinieren ESD-Schutz und Überspannungsabschaltung in einem Gehäuse.

Surge-Absicherung auf VBUS

VBUS ist durch Leitungstransienten und Hot-Plug-Ereignisse Überspannungsstößen ausgesetzt. TVS-Dioden mit höherer Leistung, ausgelegt gemäß IEC 61000-4-5 (dem Standard für Stoßspannungsfestigkeit), fangen diese ab. Die Kapazität ist hier nicht der begrenzende Faktor, daher konzentriert sich die Auswahl auf Klemmspannung und Spitzenimpulsstrom.

Hochgeschwindigkeits-Differenzialpaare

TX und RX benötigen TVS mit ultraniedriger Kapazität (typischerweise 0,2 bis 0,7 pF), um die Signalintegrität bei USB-3.2- und USB4-Geschwindigkeiten zu erhalten. Halten Sie Stub-Längen kurz, um Impedanzsprünge zu vermeiden.

Wärme am Steckverbinder

Die drei oben genannten Fehlermodi sind elektrischer Natur. Dauerhaft hohe Leistung bringt zusätzlich einen thermischen mit sich: Wärme am Steckverbinder. Polymere PTC-Bauelemente (Positive Temperature Coefficient) im VBUS-Pfad oder Littelfuse setP digital temperature indicators auf der CC-Leitung funktionieren beide. Die Lösung über die CC-Leitung vermeidet Einfügedämpfung im VBUS-Pfad.

3. Kabel- und eMarker-Anforderungen

Drei Prüfungen bestimmen die Kabelentscheidung: Zertifizierungsstufe, physische Anforderungen und der eMarker. 

Die Kabelzertifizierung ist jetzt binär: 60 W oder 240 W

USB-IF hat die 100-W-Kabelzertifizierung im Dezember 2021 eingestellt und damit zwei Stufen übrig gelassen: 60 W (kein eMarker erforderlich) oder 240 W (EPR-zertifizierter eMarker erforderlich). Für ein Ladekabel in der Verkaufsverpackung wählt die Beschaffung das eine oder das andere.

EPR-Kabel haben strengere physische Anforderungen

Kriech- und Luftstrecken sind strenger, mit einer funktionalen Mindestspannung von 53,65 V und einer Mindestspannungsfestigkeit des Bypass-Kondensators von 63 V. Die USB-IF 240 W mark muss auf der Umspritzung des Steckverbinders oder auf einem Aufkleber erscheinen, und ab dem 14. Dezember 2028 schreibt die Verordnung (EU) 2025/2052 der Kommission Leistungskennzeichnungen auf beiden Steckern für Verkäufe in der EU vor.

eMarker-Details werden zu einem Beschaffungsprüfpunkt

Bei 240-W-EPR-Kabeln kommuniziert der eMarker die Kabelfähigkeiten während der USB-PD-Aushandlung und wird damit zu einem Qualifizierungsmerkmal für jedes Hochleistungskabel in der Verpackung. Zu den EPR-fähigen eMarker-Bauteilen gehören Injoinic IP2133H, Hynetek HUSB332B, VIA Labs VL153 und Infineon's EZ-PD CMG2, jeweils verknüpft mit einer USB-IF-Test-ID in der Liste der zertifizierten Kabel.

Ohne gültigen eMarker fällt die PD-Quelle auf 3 A bei 20 V (60 W) zurück; darüber hinaus ist der eMarker die Grundlage, gegen die die Quelle aushandelt.  

4. Validierungspfade

Zwei Wege erzeugen die von der Richtlinie geforderte Dokumentation.

Vollständige USB-IF-Zertifizierung

Der vollständige Weg führt das Produkt durch einen USB-IF Compliance Workshop für Protokoll-, elektrische und Interoperabilitätstests und erzeugt eine Test-ID, einen Eintrag in der USB-IF Integrators List sowie die Rechte zur Nutzung des zertifizierten Logos. 

EU-Conformity-to-USB-IF-Specifications-Programm

Der engere Weg, der 2024 eingeführt wurde, orientiert sich an den Verweisen auf harmonisierte Normen in der Richtlinie. Das EU Conformity program führt die Mindesttests durch, um die Konformität mit EN IEC 62680-1-2:2022 (USB PD) und EN IEC 62680-1-3:2022 (USB Type-C) nachzuweisen. Das Ergebnis ist ein Konformitätsbericht, der sich von einer Lizenz für ein zertifiziertes Logo unterscheidet, und das Programm akzeptiert proprietäre Protokolle, die auf konformem USB-C und PD aufsetzen. Produkte, die das Logo für Marketingzwecke nutzen wollen, benötigen den vollständigen Weg; die meisten anderen nicht.

Autorisierte Testlabore sind unter anderem Granite River Labs, UL Solutions, Allion Labs und iST.

5. Technische Dokumentation, DoC und Verpackungsgestaltung

Jedes betroffene Produkt auf dem EU-Markt benötigt eine technische Dokumentation: Design-, Prüf- und Rechtsunterlagen in einem auditierbaren Gesamtpaket, das 10 Jahre lang aufbewahrt werden muss. Anhang V der Funkanlagenrichtlinie (RED) definiert den Inhalt:

• Produktbeschreibung mit Fotos und Firmware-Versionen
• Konstruktions- und Fertigungszeichnungen, einschließlich des Schaltplans des USB-C-Subsystems
• Liste der zitierten harmonisierten Normen nach Ausgabe
• Prüfberichte aus der USB-IF-Zertifizierung oder dem EU-Conformity-Programm
• Risikobewertung gemäß RED Artikel 3 Absatz 1
• Kopie der EU-Konformitätserklärung

Für das Verpackungsdesign gelten eigene Anforderungen: Das Piktogramm gemäß Anhang Ia, Teil III, in der jeweils zutreffenden Form (Ladegerät enthalten oder nicht) sowie die Kennzeichnung der Ladefähigkeit aus Teil IV müssen auf der Verpackung und bei Online-Angeboten in der Nähe des Preises erscheinen.

Beschaffung der regulierten BOM

Die Komponenten im regulierten Pfad (PD-Controller, eMarker-ICs, TVS-Schutz, USB-C-Steckverbinder und EPR-zertifizierte Kabel) sind jetzt BOM-Positionen, und jede lässt sich auf eine Anforderung in den obigen Abschnitten zurückführen. Octoparts parametrische Suche und die Transparenz bei Lieferanten machen die Herstellerdetails und Bestandsdaten sichtbar, die für diese Entscheidungen erforderlich sind.

Zu den Marktkräften hinter diesen Anforderungen siehe After the EU Laptop Charger Deadline, USB-C Becomes the Design Baseline.