Bản thiết kế mẫu USB-C sẵn sàng tuân thủ quy định bộ sạc chung của EU

Những điểm chính

• Việc lựa chọn bộ điều khiển Power Delivery (PD) định hình thiết kế; mức độ sẵn sàng của bộ sạc bao gồm hành vi PD, bảo vệ, cáp và xác thực nhiệt.
• Chứng nhận cáp USB-IF hiện có hai cấp, 60 W và 240 W, khiến việc lựa chọn cáp và eMarker trở thành một phần của quy trình mua sắm.
• USB-IF cung cấp hai lộ trình cho tài liệu chứng nhận phù hợp USB; việc tuân thủ EMC, an toàn, RoHS và RED được thực hiện riêng. 
• Hồ sơ kỹ thuật và thiết kế đồ họa bao bì là những phần cốt lõi của bộ hồ sơ tuân thủ.

Bản thiết kế trong năm câu hỏi

Hãy hình dung cuộc họp này: một buổi rà soát thiết kế trước khi phát hành cho một sản phẩm di động 65 W. Khi trưởng nhóm phần cứng trình bày về phân hệ USB-C, người phụ trách tuân thủ đặt ra năm câu hỏi: 

1. Bộ điều khiển PD nào? 
2. Bảo vệ nào được dùng trên các đường Configuration Channel (CC) và Sideband Use (SBU)? 
3. Cáp nào sẽ được đóng kèm trong hộp? 
4. Lộ trình kiểm thử nào tạo ra báo cáo chứng nhận phù hợp? 
5. Những gì cần đưa vào hồ sơ kỹ thuật? 

Đối với các sản phẩm nhắm đến thị trường EU theo Directive (EU) 2022/2380 (Chỉ thị Bộ sạc chung), các câu trả lời này phải có trong kế hoạch dự án của bạn trước khi khóa layout.

Năm câu hỏi đó chính là bản thiết kế. Mỗi câu hỏi tương ứng với một quyết định bạn cần chốt trong quá trình thiết kế, và các phần tiếp theo sẽ trả lời chúng theo thứ tự, từ lựa chọn bộ điều khiển đến hồ sơ kỹ thuật.

1. Lựa chọn bộ điều khiển PD

Theo Commission Notice 2024/C 2997, thiết bị vô tuyến sạc trên 15 W, 5 V hoặc 3 A phải hỗ trợ USB Power Delivery. Ba quyết định chi phối việc lựa chọn bộ điều khiển PD:

Vai trò nguồn

Một thiết bị chỉ nhận điện là sink, trong khi pin dự phòng, laptop hoặc hub có thể vừa nhận vừa cấp điện là cổng dual-role power (DRP). Vai trò này quyết định kiểu kết thúc kéo trên CC và loại bộ điều khiển: sản phẩm chỉ làm sink dùng bộ điều khiển đơn giản hơn, chi phí thấp hơn, trong khi DRP bổ sung đường cấp nguồn hai chiều và bảo vệ ở cả hai phía. Chỉ thị này điều chỉnh giao diện sạc, vì vậy mọi thiết bị thuộc phạm vi áp dụng đều cần một sink tuân thủ, ngay cả khi thiết bị đó cũng cấp nguồn ra. 

SPR so với EPR

Standard Power Range (SPR) của USB PD bao phủ các cấu hình lên đến 100 W. USB PD 3.1 đã bổ sung Extended Power Range (EPR), nâng dải hỗ trợ lên 240 W với các mức cố định mới tại 28 V, 36 V và 48 V. Các thiết kế trên 100 W chuyển sang EPR; nhiều thiết kế di động 65 W vẫn nằm trong SPR.

Tích hợp so với tách rời (TCPM/TCPC)

Bộ điều khiển độc lập kết hợp engine chính sách Type-C Port Manager (TCPM) và lớp vật lý Type-C Port Controller (TCPC) trên một chip. Thiết kế tách rời chạy chính sách TCPM trên MCU chủ, với một IC TCPC riêng giao tiếp qua I2C. Phương án tích hợp giúp đơn giản hóa quá trình bring-up; phương án tách rời tăng tính linh hoạt cho thiết kế nhiều cổng hoặc các chính sách tùy biến.

Các bộ điều khiển USB PD và linh kiện quản lý nguồn bao gồm TPS25751 của TI và TPS26750, các bộ điều khiển sink AP33771C của Diodes và AP33772S, dòng EZ-PD^™ PMG1 của Infineon, và silicon USB-C PD EPR của Renesas.

2. Bảo vệ cổng và thiết kế nhiệt

Bước chân pin 0,5 mm của USB-C đặt các đường CC và SBU cạnh VBUS, nơi mang điện áp lên đến 20 V trong SPR và 48 V trong EPR. Chân bị cong, mảnh vụn dẫn điện hoặc cáp lỗi có thể làm ngắn mạch VBUS sang một trong hai đường này và làm hỏng bộ điều khiển PD. Bản thân đầu receptacle cũng là một rủi ro cơ khí: mối hàn nứt tại cổng là nguyên nhân phổ biến gây trả hàng ngoài thực địa.

Ba chế độ lỗi chi phối việc lựa chọn linh kiện bảo vệ: 

Xả điện và quá áp trên CC và SBU

Các sự kiện phóng tĩnh điện (ESD) và quá áp trên các đường này đòi hỏi diode triệt xung điện áp tức thời (TVS) rời, với điện áp làm việc cao hơn VBUS cực đại dự kiến (20 V cho SPR, 50 V cho EPR). Dòng µClamp của Semtech và các linh kiện tương đương từ TDK và Bourns xử lý các sự kiện quá độ. Các lựa chọn tích hợp như TI TPD8S300, Diodes DPO2036, Kinetic KTU1101, và ST TCPP kết hợp bảo vệ ESD và ngắt quá áp trong một package.

Khả năng chịu xung trên VBUS

VBUS phải chịu các xung tăng áp do quá độ trên đường nguồn và các sự kiện cắm nóng. Các diode TVS công suất cao hơn, được đánh giá theo IEC 61000-4-5 (tiêu chuẩn miễn nhiễm xung tăng áp), sẽ xử lý các tình huống này. Ở đây, điện dung không phải ràng buộc chính, nên việc lựa chọn tập trung vào điện áp kẹp và dòng xung đỉnh.

Các cặp vi sai tốc độ cao

TX và RX cần TVS điện dung siêu thấp (thường 0,2 đến 0,7 pF) để duy trì tính toàn vẹn tín hiệu ở tốc độ USB 3.2 và USB4. Giữ chiều dài stub ngắn để tránh gián đoạn trở kháng.

Nhiệt tại đầu nối

Ba chế độ lỗi ở trên là về điện. Công suất cao kéo dài bổ sung thêm một chế độ nhiệt: nóng tại đầu nối. Các linh kiện polymeric positive temperature coefficient (PTC) trên đường VBUS hoặc các bộ chỉ thị nhiệt độ số setP của Littelfuse trên đường CC đều hoạt động tốt. Cách đi theo đường CC giúp tránh suy hao chèn trên đường VBUS.

3. Yêu cầu về cáp và eMarker

Ba bước kiểm tra chi phối quyết định về cáp: cấp chứng nhận, yêu cầu vật lý và eMarker. 

Chứng nhận cáp giờ chỉ còn hai mức: 60 W hoặc 240 W

USB-IF đã ngừng chứng nhận cáp 100 W vào tháng 12 năm 2021, chỉ còn lại hai cấp: 60 W (không yêu cầu eMarker) hoặc 240 W (yêu cầu eMarker được chứng nhận EPR). Đối với cáp sạc đi kèm trong hộp bán lẻ, bộ phận mua sắm sẽ phải chọn một trong hai.

Cáp EPR có yêu cầu vật lý nghiêm ngặt hơn

Khoảng cách rò và khoảng cách hở nghiêm ngặt hơn, với điện áp chức năng tối thiểu 53,65 V và điện áp định mức tối thiểu 63 V cho tụ bypass. Dấu USB-IF 240 W phải xuất hiện trên phần overmold của đầu nối hoặc trên nhãn dán, và kể từ ngày 14 tháng 12 năm 2028, Commission Regulation (EU) 2025/2052 quy định bắt buộc phải có ký hiệu công suất trên cả hai đầu cắm đối với hàng bán tại EU.

Chi tiết eMarker trở thành một hạng mục kiểm tra trong mua sắm

Đối với cáp EPR 240 W, eMarker truyền đạt khả năng của cáp trong quá trình thương lượng USB PD, khiến nó trở thành một chi tiết cần thẩm định đối với mọi loại cáp công suất cao đi kèm trong hộp. Các linh kiện eMarker có khả năng EPR bao gồm Injoinic IP2133H, Hynetek HUSB332B, VIA Labs VL153, và EZ-PD CMG2 của Infineon, mỗi linh kiện đều gắn với một USB-IF Test ID trong danh sách cáp được chứng nhận.

Nếu không có eMarker hợp lệ, nguồn PD sẽ lùi về 3 A tại 20 V (60 W); vượt trên mức đó, eMarker là cơ sở để nguồn thực hiện thương lượng.  

4. Các lộ trình xác thực

Có hai lộ trình tạo ra bộ tài liệu mà chỉ thị yêu cầu.

Chứng nhận USB-IF đầy đủ

Lộ trình đầy đủ đưa sản phẩm qua một USB-IF Compliance Workshop để kiểm thử giao thức, điện và khả năng tương tác, tạo ra Test ID, mục liệt kê trên USB-IF Integrators List và quyền sử dụng logo chứng nhận. 

Chương trình EU Conformity to USB-IF Specifications

Lộ trình hẹp hơn, được triển khai vào năm 2024, phù hợp với các tham chiếu tiêu chuẩn hài hòa của chỉ thị. Chương trình EU Conformity thực hiện số lượng kiểm thử tối thiểu để chứng minh sự phù hợp với EN IEC 62680-1-2:2022 (USB PD) và EN IEC 62680-1-3:2022 (USB Type-C). Kết quả đầu ra là một báo cáo chứng nhận phù hợp, khác với giấy phép sử dụng logo chứng nhận, và chương trình này chấp nhận các giao thức độc quyền được xếp chồng lên USB-C và PD tuân thủ. Những sản phẩm dựa vào logo cho mục đích tiếp thị cần lộ trình đầy đủ; phần lớn các sản phẩm khác thì không.

Các phòng thử nghiệm được ủy quyền bao gồm Granite River Labs, UL Solutions, Allion Labs, và iST.

5. Hồ sơ kỹ thuật, DoC và thiết kế bao bì

Mọi sản phẩm thuộc phạm vi áp dụng trên thị trường EU đều cần có hồ sơ kỹ thuật: thiết kế, hồ sơ thử nghiệm và tuyên bố pháp lý trong một bộ hồ sơ có thể kiểm toán, được lưu giữ trong 10 năm. Phụ lục V của Radio Equipment Directive (RED) quy định nội dung của hồ sơ này:

• Mô tả sản phẩm kèm hình ảnh và phiên bản firmware
• Bản vẽ thiết kế và sản xuất, bao gồm sơ đồ nguyên lý của phân hệ USB-C
• Danh sách các tiêu chuẩn hài hòa được viện dẫn theo từng phiên bản
• Báo cáo thử nghiệm từ chứng nhận USB-IF hoặc chương trình EU Conformity
• Đánh giá rủi ro theo Điều 3(1) của RED
• Bản sao tuyên bố phù hợp của EU

Thiết kế bao bì cũng có các yêu cầu riêng: biểu tượng tại Annex Ia, Part III, theo định dạng áp dụng (có kèm bộ sạc hay không), cùng với nhãn khả năng sạc từ Part IV, phải xuất hiện trên bao bì và, đối với danh sách bán hàng trực tuyến, ở gần giá bán.

Tìm nguồn BOM thuộc diện quản lý

Các linh kiện trong đường tuân thủ bị quản lý (bộ điều khiển PD, IC eMarker, bảo vệ TVS, đầu nối USB-C và cáp được chứng nhận EPR) hiện là các dòng mục trong BOM, và mỗi dòng đều truy ngược về một yêu cầu trong các phần ở trên. Chức năng tìm kiếm theo tham số và khả năng hiển thị nhà cung cấp của Octopart làm rõ thông tin nhà sản xuất và dữ liệu tồn kho mà các quyết định đó cần đến.

Để hiểu các động lực thị trường đứng sau những yêu cầu này, xem thêm Sau hạn chót bộ sạc laptop của EU, USB-C trở thành nền tảng thiết kế mặc định.