Gotowy pod kątem zgodności schemat projektowy USB-C dla unijnych przepisów dotyczących wspólnej ładowarki

Najważniejsze wnioski

• Wybór kontrolera Power Delivery (PD) determinuje projekt; gotowość ładowarki obejmuje zachowanie PD, zabezpieczenia, kable oraz walidację termiczną.
• Certyfikacja kabli USB-IF ma obecnie dwa poziomy, 60 W i 240 W, co przenosi wybór kabla i eMarkera do obszaru zakupów.
• USB-IF oferuje dwie ścieżki uzyskania dokumentacji zgodności USB; zgodność EMC, bezpieczeństwo, RoHS i RED są realizowane oddzielnie. 
• Dokumentacja techniczna i projekty graficzne opakowania są kluczowymi elementami pakietu zgodności.

Plan działania w pięciu pytaniach

Wyobraź sobie takie spotkanie: przegląd projektu przed premierą dla przenośnego produktu o mocy 65 W. Gdy lider sprzętowy omawia podsystem USB-C, osoba odpowiedzialna za zgodność zadaje pięć pytań: 

1. Który kontroler PD? 
2. Jakie zabezpieczenia na liniach Configuration Channel (CC) i Sideband Use (SBU)? 
3. Który kabel znajduje się w zestawie? 
4. Jaka ścieżka testowa prowadzi do raportu zgodności? 
5. Co trafia do dokumentacji technicznej? 

Dla produktów przeznaczonych na rynek UE zgodnie z Directive (EU) 2022/2380 (dyrektywą w sprawie wspólnej ładowarki) odpowiedzi na te pytania powinny znaleźć się w planie projektu, zanim układ zostanie zamrożony.

Te pięć pytań definiuje cały plan. Każde odpowiada decyzji podejmowanej na etapie projektowania, a kolejne sekcje odpowiadają na nie po kolei — od wyboru kontrolera po dokumentację techniczną.

1. Wybór kontrolera PD

Zgodnie z Commission Notice 2024/C 2997, urządzenia radiowe ładowane powyżej 15 W, 5 V lub 3 A muszą obsługiwać USB Power Delivery. Wybór kontrolera PD zależy od trzech decyzji:

Rola zasilania

Urządzenie, które wyłącznie pobiera energię, jest odbiornikiem (sink), natomiast power bank, laptop lub hub, który może zarówno pobierać, jak i dostarczać zasilanie, ma port dual-role power (DRP). Ta rola określa terminację podciągającą CC oraz klasę kontrolera: produkty tylko typu sink korzystają z prostszych i tańszych kontrolerów, natomiast DRP dodaje dwukierunkowe ścieżki zasilania i zabezpieczenia po obu stronach. Dyrektywa reguluje interfejs ładowania, więc każde urządzenie objęte zakresem musi mieć zgodny odbiornik, nawet jeśli jednocześnie dostarcza zasilanie. 

SPR a EPR

Standard Power Range (SPR) w USB PD obejmuje profile do 100 W. USB PD 3.1 dodało Extended Power Range (EPR), zwiększając obsługiwany zakres do 240 W dzięki nowym stałym poziomom 28 V, 36 V i 48 V. Projekty powyżej 100 W wchodzą w zakres EPR; wiele przenośnych konstrukcji 65 W nadal pozostaje w SPR.

Układ zintegrowany a rozdzielony (TCPM/TCPC)

Samodzielne kontrolery łączą silnik polityki Type-C Port Manager (TCPM) i warstwę fizyczną Type-C Port Controller (TCPC) w jednym układzie. W projektach rozdzielonych polityka TCPM działa na hostowym MCU, a osobny układ TCPC komunikuje się przez I2C. Podejście zintegrowane upraszcza uruchomienie; rozdzielone daje większą elastyczność w projektach wieloportowych lub z niestandardową polityką.

Kontrolery USB PD i układy zarządzania zasilaniem obejmują m.in. TI's TPS25751 i TPS26750, kontrolery sink Diodes’ AP33771C i AP33772S, rodzinę Infineon's EZ-PD^™ PMG1 family oraz układy Renesas’ USB-C PD EPR silicon.

2. Zabezpieczenie portu i projekt termiczny

Raster pinów 0,5 mm w USB-C umieszcza linie CC i SBU obok VBUS, które przenosi do 20 V w SPR i 48 V w EPR. Wygięty pin, przewodzące zanieczyszczenia lub wadliwy kabel mogą spowodować zwarcie VBUS do jednej z tych linii i uszkodzenie kontrolera PD. Samo gniazdo stanowi też ryzyko mechaniczne: pęknięte połączenie lutowane przy porcie to częsta przyczyna zwrotów z rynku.

Dobór elementów ochronnych wynika z trzech trybów uszkodzeń: 

Wyładowania i przepięcia na CC i SBU

Zdarzenia elektrostatyczne (ESD) i przepięciowe na tych liniach wymagają dyskretnych diod TVS o napięciu roboczym wyższym niż maksymalne oczekiwane VBUS (20 V dla SPR, 50 V dla EPR). Rodzina µClamp firmy Semtech oraz odpowiedniki firm TDK i Bourns radzą sobie ze zjawiskami przejściowymi. Zintegrowane alternatywy, takie jak TI TPD8S300, Diodes DPO2036, Kinetic KTU1101 i ST TCPP, łączą ochronę ESD i odcięcie przy przepięciu w jednej obudowie.

Odporność VBUS na udary

Na VBUS pojawiają się udary wynikające ze stanów przejściowych linii i zdarzeń hot-plug. Radzą sobie z nimi diody TVS o większej mocy, dobrane zgodnie z IEC 61000-4-5 (normą odporności na udary). Pojemność nie jest tu ograniczeniem, więc dobór koncentruje się na napięciu ograniczania i szczytowym prądzie impulsu.

Szybkie pary różnicowe

Linie TX i RX wymagają diod TVS o ultraniskiej pojemności (zwykle 0,2 do 0,7 pF), aby zachować integralność sygnału przy prędkościach USB 3.2 i USB4. Utrzymuj krótkie długości odgałęzień, aby uniknąć nieciągłości impedancji.

Ciepło na złączu

Trzy wymienione wyżej tryby uszkodzeń mają charakter elektryczny. Długotrwała praca z wysoką mocą dodaje czwarty: nagrzewanie złącza. Polymeric positive temperature coefficient (PTC) devices w ścieżce VBUS lub Littelfuse setP digital temperature indicators na linii CC — oba rozwiązania działają. Prowadzenie przez linię CC pozwala uniknąć strat wtrąceniowych w ścieżce VBUS.

3. Wymagania dotyczące kabli i eMarkera

Decyzję o kablu determinują trzy kwestie: poziom certyfikacji, wymagania fizyczne i eMarker. 

Certyfikacja kabli jest teraz binarna: 60 W albo 240 W

USB-IF zakończyło certyfikację kabli 100 W w grudniu 2021 roku, pozostawiając dwa poziomy: 60 W (eMarker nie jest wymagany) albo 240 W (wymagany eMarker z certyfikacją EPR). W przypadku kabla do ładowania dołączanego do produktu dział zakupów wybiera jedną z tych dwóch opcji.

Kable EPR mają bardziej rygorystyczne wymagania fizyczne

Wymagania dotyczące odstępów upływowych i izolacyjnych są bardziej restrykcyjne, z minimalnym napięciem roboczym 53,65 V oraz minimalnym napięciem znamionowym kondensatora bocznikującego 63 V. Oznaczenie USB-IF 240 W mark musi znaleźć się na zalewie złącza lub na naklejce, a od 14 grudnia 2028 r. Commission Regulation (EU) 2025/2052 wprowadza obowiązek oznaczeń mocy na obu wtykach dla sprzedaży w UE.

Szczegóły eMarkera stają się kryterium zakupowym

W kablach 240 W EPR eMarker przekazuje możliwości kabla podczas negocjacji USB PD, przez co staje się elementem kwalifikacji każdego kabla dużej mocy dołączanego do zestawu. Układy eMarker zdolne do pracy z EPR obejmują Injoinic IP2133H, Hynetek HUSB332B, VIA Labs VL153 i Infineon's EZ-PD CMG2, a każdy z nich jest powiązany z identyfikatorem USB-IF Test ID na liście certyfikowanych kabli.

Bez poprawnego eMarkera źródło PD wraca do 3 A przy 20 V (60 W); powyżej tej wartości źródło negocjuje właśnie na podstawie eMarkera.  

4. Ścieżki walidacji

Istnieją dwie ścieżki uzyskania dokumentacji wymaganej przez dyrektywę.

Pełna certyfikacja USB-IF

Pełna ścieżka obejmuje przeprowadzenie produktu przez USB-IF Compliance Workshop w zakresie testów protokołu, elektrycznych i interoperacyjności, czego wynikiem jest Test ID, wpis na liście USB-IF Integrators List oraz prawo do używania certyfikowanego logo. 

Program zgodności UE ze specyfikacjami USB-IF

Węższa ścieżka, uruchomiona w 2024 roku, jest zgodna z odniesieniami do norm zharmonizowanych w dyrektywie. Program EU Conformity program obejmuje minimalny zestaw testów potrzebnych do wykazania zgodności z EN IEC 62680-1-2:2022 (USB PD) oraz EN IEC 62680-1-3:2022 (USB Type-C). Wynikiem jest raport zgodności, który różni się od licencji na certyfikowane logo, a program dopuszcza protokoły własnościowe działające ponad zgodnym USB-C i PD. Produkty, które wykorzystują logo marketingowo, potrzebują pełnej ścieżki; większość pozostałych — nie.

Do autoryzowanych laboratoriów testowych należą m.in. Granite River Labs, UL Solutions, Allion Labs i iST.

5. Dokumentacja techniczna, DoC i grafika opakowania

Każdy produkt objęty zakresem, wprowadzany na rynek UE, wymaga dokumentacji technicznej: projektu, zapisów z testów i deklaracji prawnych w jednym pakiecie podlegającym audytowi, przechowywanym przez 10 lat. Radio Equipment Directive (RED) Annex V określa jej zawartość:

• Opis produktu wraz ze zdjęciami i wersjami firmware
• Rysunki projektowe i produkcyjne, w tym schemat podsystemu USB-C
• Lista przywołanych norm zharmonizowanych z podaniem edycji
• Raporty z testów z certyfikacji USB-IF lub programu EU Conformity
• Ocena ryzyka zgodnie z RED Article 3(1)
• Kopia unijnej deklaracji zgodności

Grafika opakowania ma własne wymagania: piktogram z załącznika Ia, część III, w odpowiednim wariancie (ładowarka dołączona lub nie), a także etykieta możliwości ładowania z części IV muszą znaleźć się na opakowaniu oraz — w przypadku ofert internetowych — w pobliżu ceny.

Pozyskiwanie regulowanego BOM-u

Komponenty na ścieżce regulowanej (kontrolery PD, układy eMarker, zabezpieczenia TVS, złącza USB-C i kable z certyfikacją EPR) są teraz pozycjami BOM, a każda z nich wynika z wymagań opisanych powyżej. Octopart dzięki wyszukiwaniu parametrycznemu i widoczności dostawców pokazuje szczegóły producenta oraz dane magazynowe potrzebne do podjęcia tych decyzji.

O czynnikach rynkowych stojących za tymi wymaganiami przeczytasz w After the EU Laptop Charger Deadline, USB-C Becomes the Design Baseline.