Готовый шаблон проектирования USB-C для соответствия единым правилам ЕС по зарядным устройствам

Ключевые выводы

• Выбор контроллера Power Delivery (PD) определяет всю конструкцию; готовность зарядки включает поведение PD, защиту, кабели и тепловую валидацию.
• Сертификация кабелей USB-IF теперь разделена на два уровня — 60 Вт и 240 Вт, поэтому выбор кабеля и eMarker переходит в зону закупок.
• USB-IF предлагает два пути оформления документации по соответствию USB; соответствие требованиям EMC, безопасности, RoHS и RED проходит отдельно. 
• Технический файл и макеты упаковки — ключевые части комплекта документации по соответствию.

План в пяти вопросах

Представьте такое совещание: предрелизный обзор конструкции портативного изделия на 65 Вт. Пока ведущий инженер по аппаратной части рассказывает о подсистеме USB-C, специалист по соответствию задает пять вопросов: 

1. Какой PD-контроллер? 
2. Какая защита предусмотрена на линиях Configuration Channel (CC) и Sideband Use (SBU)? 
3. Какой кабель идет в комплекте? 
4. Какой путь испытаний даст отчет о соответствии? 
5. Что входит в технический файл? 

Для продуктов, ориентированных на рынок ЕС в рамках Directive (EU) 2022/2380 (Директива об общем зарядном устройстве), ответы на эти вопросы должны быть включены в план проекта до окончательной фиксации трассировки.

Эти пять вопросов и образуют основу плана. Каждый из них соответствует решению, которое принимается в ходе проектирования, а последующие разделы отвечают на них по порядку — от выбора контроллера до технического файла.

1. Выбор PD-контроллера

Согласно Commission Notice 2024/C 2997, радиооборудование, заряжающееся при мощности выше 15 Вт, напряжении 5 В или токе 3 А, должно поддерживать USB Power Delivery. Выбор PD-контроллера определяется тремя решениями:

Роль по питанию

Устройство, которое только потребляет питание, является sink, тогда как power bank, ноутбук или хаб, способные и потреблять, и отдавать питание, используют порт dual-role power (DRP). Эта роль задает тип подтяжки на CC и класс контроллера: для устройств только с sink подходят более простые и дешевые контроллеры, тогда как DRP требует двунаправленных силовых трактов и защиты с обеих сторон. Директива регулирует интерфейс зарядки, поэтому каждому подпадающему под нее устройству нужен соответствующий требованиям sink, даже если оно также может выступать источником питания. 

SPR или EPR

Standard Power Range (SPR) в USB PD охватывает профили до 100 Вт. В USB PD 3.1 был добавлен Extended Power Range (EPR), который увеличил поддерживаемый диапазон до 240 Вт с новыми фиксированными уровнями 28 В, 36 В и 48 В. Конструкции свыше 100 Вт переходят в зону EPR; многие портативные устройства на 65 Вт по-прежнему остаются в SPR.

Интегрированная или раздельная архитектура (TCPM/TCPC)

Автономные контроллеры объединяют механизм политики Type-C Port Manager (TCPM) и физический уровень Type-C Port Controller (TCPC) в одной микросхеме. В раздельных решениях политика TCPM выполняется на хост-MCU, а отдельная ИС TCPC подключается по I2C. Интегрированный вариант упрощает запуск; раздельный дает больше гибкости для многопортовых изделий или пользовательских политик.

Среди контроллеров USB PD и компонентов управления питанием можно отметить TI's TPS25751 и TPS26750, Diodes’ AP33771C и AP33772S для sink-устройств, Infineon's EZ-PD^™ PMG1 family и Renesas’ USB-C PD EPR silicon.

2. Защита порта и тепловое проектирование

Шаг выводов USB-C в 0,5 мм размещает линии CC и SBU рядом с VBUS, который несет до 20 В в SPR и 48 В в EPR. Погнутый контакт, токопроводящий мусор или неисправный кабель могут замкнуть VBUS на любую из этих линий и повредить PD-контроллер. Сам разъем тоже представляет механический риск: трещина в паяном соединении порта — одна из частых причин возвратов из эксплуатации.

Выбор компонентов защиты определяется тремя режимами отказа: 

Разряд и перенапряжение на CC и SBU

Электростатический разряд (ESD) и события перенапряжения на этих линиях требуют применения дискретных TVS-диодов с рабочим напряжением выше максимально ожидаемого VBUS (20 В для SPR, 50 В для EPR). Semtech's µClamp family и аналоги от TDK и Bourns справляются с переходными процессами. Интегрированные альтернативы, такие как TI TPD8S300, Diodes DPO2036, Kinetic KTU1101 и ST TCPP, объединяют ESD-защиту и отключение при перенапряжении в одном корпусе.

Обработка импульсных перенапряжений на VBUS

На VBUS возникают импульсы из-за переходных процессов в линии и событий горячего подключения. Для них подходят TVS-диоды повышенной мощности с рейтингом по IEC 61000-4-5 (стандарт помехоустойчивости к импульсным перенапряжениям). Здесь емкость не является ограничением, поэтому выбор строится вокруг напряжения ограничения и пикового импульсного тока.

Высокоскоростные дифференциальные пары

Линиям TX и RX требуются TVS с сверхмалой емкостью (обычно 0,2–0,7 пФ), чтобы сохранить целостность сигнала на скоростях USB 3.2 и USB4. Длины ответвлений должны быть минимальными, чтобы избежать разрывов импеданса.

Нагрев в области разъема

Три описанных выше режима отказа являются электрическими. При длительной работе на высокой мощности добавляется тепловой фактор: нагрев разъема. Polymeric positive temperature coefficient (PTC) devices в тракте VBUS или Littelfuse setP digital temperature indicators на линии CC — оба варианта подходят. Маршрут через линию CC позволяет избежать дополнительных потерь в тракте VBUS.

3. Требования к кабелям и eMarker

Выбор кабеля определяется тремя проверками: уровень сертификации, физические требования и eMarker. 

Сертификация кабелей теперь двоичная: 60 Вт или 240 Вт

USB-IF прекратил сертификацию кабелей на 100 Вт в декабре 2021 года, оставив два уровня: 60 Вт (eMarker не требуется) и 240 Вт (обязателен eMarker с сертификацией EPR). Для зарядного кабеля в розничной коробке отдел закупок должен выбрать один из этих двух вариантов.

Для EPR-кабелей действуют более жесткие физические требования

Требования к путям утечки и электрическим зазорам строже: минимальное функциональное напряжение составляет 53,65 В, а минимальный номинал байпасного конденсатора — 63 В. Маркировка USB-IF 240 W mark должна присутствовать на заливке разъема или на наклейке, а начиная с 14 декабря 2028 года Commission Regulation (EU) 2025/2052 делает маркировку мощности обязательной на обоих штекерах для продаж в ЕС.

Детали eMarker становятся предметом проверки при закупке

Для кабелей 240 Вт EPR eMarker сообщает возможности кабеля в ходе переговоров USB PD, поэтому он становится частью квалификации любого мощного кабеля, входящего в комплект. К компонентам eMarker с поддержкой EPR относятся Injoinic IP2133H, Hynetek HUSB332B, VIA Labs VL153 и Infineon's EZ-PD CMG2; каждый из них связан с USB-IF Test ID в списке сертифицированных кабелей.

Без действительного eMarker источник PD возвращается к 3 А при 20 В (60 Вт); выше этого уровня именно по eMarker источник определяет условия согласования.  

4. Пути валидации

Документацию, требуемую директивой, можно получить двумя путями.

Полная сертификация USB-IF

Полный путь предполагает прохождение продукта через USB-IF Compliance Workshop с испытаниями протокола, электрических параметров и совместимости, по итогам чего выдаются Test ID, запись в списке USB-IF Integrators List и право использовать сертифицированный логотип. 

Программа EU Conformity to USB-IF Specifications

Более узкий путь, запущенный в 2024 году, согласован со ссылками на гармонизированные стандарты директивы. Программа EU Conformity program проводит минимально необходимые испытания для подтверждения соответствия EN IEC 62680-1-2:2022 (USB PD) и EN IEC 62680-1-3:2022 (USB Type-C). На выходе формируется отчет о соответствии, который отличается от лицензии на использование сертифицированного логотипа, и программа допускает проприетарные протоколы, надстроенные поверх соответствующих USB-C и PD. Продуктам, использующим логотип в маркетинговых целях, нужен полный путь; большинству остальных — нет.

К числу авторизованных испытательных лабораторий относятся Granite River Labs, UL Solutions, Allion Labs и iST.

5. Технический файл, DoC и макеты упаковки

Для каждого продукта, подпадающего под действие требований и поставляемого на рынок ЕС, требуется технический файл: проектная документация, записи об испытаниях и юридические декларации в одном проверяемом комплекте, который должен храниться 10 лет. Radio Equipment Directive (RED) Annex V определяет его состав:

• Описание продукта с фотографиями и версиями прошивки
• Конструкторские и производственные чертежи, включая схему подсистемы USB-C
• Список использованных гармонизированных стандартов с указанием редакции
• Отчеты об испытаниях по программе сертификации USB-IF или программе EU Conformity
• Оценка рисков по статье 3(1) RED
• Копия декларации соответствия ЕС

Для макетов упаковки также есть отдельные требования: пиктограмма Annex Ia, Part III в соответствующем формате (с зарядным устройством в комплекте или без него), а также маркировка возможностей зарядки из Part IV должны быть нанесены на упаковку и, для онлайн-объявлений, размещены рядом с ценой.

Закупка регулируемых позиций BOM

Компоненты в регулируемой цепочке (PD-контроллеры, микросхемы eMarker, TVS-защита, разъемы USB-C и кабели с сертификацией EPR) теперь являются строками BOM, и каждая из них связана с требованием из разделов выше. Octopart благодаря параметрическому поиску и видимости по поставщикам показывает сведения о производителях и данные по наличию, необходимые для принятия этих решений.

О рыночных факторах, стоящих за этими требованиями, см. After the EU Laptop Charger Deadline, USB-C Becomes the Design Baseline.