Konformitätsprüfungen von USB Power Delivery mit digitalen Oszilloskopen von Rohde & Schwarz

Einer der wesentlichen Vorteile von USB Power Delivery (USB PD) besteht darin, dass Leistungen bis zu 100 W übertragen werden können. Die Funktion wird von USB Typ-C™-Steckern unterstützt. Die Geräte handeln ein USB PD-Profil aus, wobei eine Signalisierung mit niedriger Geschwindigkeit zum Einsatz kommt. Lieferanten von USB Typ-C-Komponenten und Anbieter von Geräten mit USB PD-Standard müssen die Interoperabilität in Bezug auf Protokoll-Handshake und Signalintegrität sicherstellen.

Ihre Anforderung

Sie müssen mit der USB Power Delivery-Konformitätsprüfung bestätigen, dass ein geeigneter Leistungspegel zwischen zwei USB Typ-C-Schnittstellen ausgehandelt wird. Abgesehen von der Konformität bei der Bitübertragungsschicht muss auch für alle möglichen Systemtopologien die Protokollkonformität getestet werden.

USB Power Delivery-Topologien
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Hintergrund

USB Power Delivery

Das USB Implementers Forum (USB-IF) erweiterte USB 2.0 und USB 3.1 um die USB Power Delivery-Spezifikation. Nach dieser Spezifikation ist es möglich, Leistungen von bis zu 100 W (bis zu 20 V und 5 A) flexibel bereitzustellen. USB Power Delivery arbeitet am effektivsten mit USB Typ-C-Steckern und -Verkabelung nach USB-IF, die für Übertragungsgeschwindigkeiten bis zu USB 3.1 Gen 2 (10 Gbps) zertifiziert sind. Mit dem neuen Design ist das Einstecken einfacher, da die Orientierung des Steckers keine Rolle mehr spielt. Der doppelseitige, 24-polige USB Typ-C-Stecker enthält Hochgeschwindigkeits-Leitungen zur Datenübertragung und eine verbesserte Schnittstelle für die Stromversorgung. USB-Hosts, -Geräte und -Zubehör verhandeln die Leistungsabgabe über das USB PD-Kommunikationsprotokoll, das auf dem neu eingeführten Konfigurationskanal (CC) abläuft. Dieser Handshake bestätigt die Beziehung zwischen Quelle und Verbraucher und verifiziert das maximal mögliche Leistungsprofil. Das Diagramm unten erklärt die verschiedenen USB PD-Topologien, die für Stromquelle, Stromverbraucher oder Geräte mit beiden Rollen unterstützt werden.

USB Power Delivery-Profile
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Die USB Typ-C-Schnittstellen liefern den Strom über vier Stromversorgungs-Stiftpaare (Vbus). Das USB-IF hat fünf unterschiedliche USB PD-Profile festgelegt, mit denen die Industrie arbeiten kann.

Vollfunktionale USB Typ-C-Kabel und -Adapter sind elektronisch markiert (E-Marker) und enthalten einen Chip mit ID-Funktion, auf den über die CC-Schnittstelle zugegriffen werden kann. Der Test der E-Marker-Funktionalität ist Teil der Konformitätsprüfungsspezifikation (CTS) für USB Power Delivery.

USB-Verbindung mit Fokus auf der Verhandlung der bereitgestellten Leistung
USB-Verbindung mit Fokus auf der Verhandlung der bereitgestellten Leistung
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Integrität der BMC-Bitübertragungsschicht

Das USB PD-Protokoll auf der CC-Kommunikationsschnittstelle verwendet einen Zweiphasenmarkierungscode (BMC), um die Leistungsprofile zwischen zwei USB Typ-C-Schnittstellen auszutauschen.

Um die Interoperabilität zwischen USB-Komponenten und -Geräten sicherzustellen und um jeglichen Schaden aufgrund von Überspannung und Überstrom zu vermeiden, ist es wichtig, dass das BMC-Signal gemäß dem Standard übertragen wird. Die BMC-Signalisierung auf Bitübertragungsebene wird deshalb mit Konformitätsmasken getestet. Die modulierten Signalfolgen von logisch „Eins“ und „Null“ werden getrennt in zwei unterschiedlichen Maskenprofilen ausgewertet, wie man auf der nächsten Seite sieht.

USB PD BMC-Signalschema und Konformitätsmaske für „Eins“ (links) und „Null“ (rechts)

Messtechnische Lösung

USB PD-Konformitätsprüfungen bestätigen, dass auf der CC-Verbindung der USB Typ-C-Schnittstellen bei Frequenzen von 270 kbps bis 330 kbps ein geeigneter Leistungspegel ausgehandelt wurde, und verifizieren die Qualität der an den Vbus-Stiften bereitgestellten Leistung. Hohe Messdynamik, schnelle Erfassung und Verarbeitung sowie ein nativer 1 MΩ-Eingang für die Stromzangen sind die Hauptauswahlparameter für ein Oszilloskop, das wichtigste Werkzeug zur Signalerfassung für USB PD-Konformitätsprüfungen.

Rohde & Schwarz bietet in Zusammenarbeit mit dem Industriepartner Granite River Labs (GRL) eine Konformitätstestlösung an. Dazu kommt ein R&S®RTE oder ein R&S®RTO digitales Oszilloskop zum Einsatz. Die GRL-USB-PD-Analysesoftware von GRL steuert die Prüfmittel und führt die Elektrik- und Protokolltests durch.

Messplätze

Der Messaufbau hängt von der Rolle des Messobjekts ab. In allen Fällen erfasst das R&S®RTE oder R&S®RTO Oszilloskop die USB PD-Wellenformen zur Konformitätsanalyse und Protokollverifizierung. Zum Messen der Spannung (Vbus) und des Stroms (IL) an der Vbus-Versorgung benötigt man einen passiven Spannungstastkopf und eine Stromzange. Ein weiterer Spannungstastkopf stellt die Verbindung zum CC-Kommunikationslink her. Der Test der USB Typ-C-Kabel und -Adapter richtet den Fokus auf die Validierung des E-Marker-Codes an der CC-Signalverbindung.

Messplätze
Messplätze

Werkzeug GRL-USB-PD für die Konformitätsprüfung

GRL entwickelte GRL-USB-PD, die USB PD-Compliance-Testsoftware, die auf der USB Typ-C-CTS basiert. Das Werkzeug verwendet die aufgezeichneten Wellenformen, um Augendiagramme für Tests mit Konformitätsmasken zu erzeugen, und führt Messungen für elektrische, parametrische Tests durch. Sie decodiert ebenso die BMC-Signalisierung für Protokolltests. Für USB Typ-C-Kabel und -Adapter unterstützt das Werkzeug GRL-USB-PD USB Typ-C E-Marker-Konformitätsprüfungen. In Kombination mit dem GRL USB Typ-C-Test-Controller bietet die Software GRL-USB-PD eine komplett automatisierte Lösung zur Konformitätsprüfung. Nach Abschluss der Prüfungen erzeugt die Software ein umfassendes Prüfprotokoll.

Testen von USB PD BMC-Augendiagrammen mit GRL-USB-PD (Quelle: GRL)
Testen von USB PD BMC-Augendiagrammen mit GRL-USB-PD (Quelle: GRL)
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Die Software GRL-USB-PD deckt folgende Prüfungen ab:

  • Konformität der elektrischen Bitübertragungsschicht (BMC-PHY)
    • Augendiagramm
    • Zeitmessungen (z. B. Bitrate, Anstiegszeit)
    • CRC-Prüfung
  • Konformität und Decodierung des USB PD-Protokolls (BMC-PROT)
    • Decodierung von CC-Leitungspaketen
    • VDM-Decodierung für USB Typ-C-Kabel und -Adapter
  • Tests von Stromquellen/-senken (BMC-POW)

USB Typ-C-Test-Controller

GRL entwickelte die USB Typ-C-Test-Controller-Hardware (GRL-USB-PD-C1). Sie verfügt über eine integrierte USB PD-Controller-Funktionalität, eine Stromversorgung zum Verbrauchertest und stellt die Verbindung zum Messobjekt und den übrigen Prüfmitteln her. Der Controller konfiguriert das Messobjekt, sodass dieses für Konformitätsprüfungen passende USB PD-Antworten sendet.

Elektronische Last

Für jedes getestete Leistungsprofil muss eine unterschiedliche Last verwendet werden, um zu garantieren, dass die USB PD-Quelle genügend Leistung zur Verfügung stellt. Beispielsweise können elektronische Lasten von Chroma Systems Solutions unterschiedliche Leistungsszenarien simulieren.

Zusätzliche USB-Testmöglichkeiten mit den R&S®RTE und R&S®RTO digitalen Oszilloskopen

R&S®RTO-K21 USB-Compliance-Testsoftware.
R&S®RTO-K21 USB-Compliance-Testsoftware.
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USB 2.0-Konformitätsprüfungen

Ausgestattet mit der Option R&S®RTO-K21 USB 2.0 Konformitätsprüfung und zusammen mit dem R&S®RT-ZF1 USB-Konformitätsprüfungsadapter lässt sich das R&S®RTO für Konformitätsprüfungen von USB 2.0/1.1/1.0- und HSIC-Schnittstellen verwenden. Basierend auf der R&S®ScopeSuite ist die Konformitätsprüfung vollautomatisiert und bietet die volle Flexibilität bei der Fehlersuche, dem Testen und der Konformitätszertifizierung.

R&S®RTE/RTO-K60 USB-Triggerung und -Decodierung.
R&S®RTE/RTO-K60 USB-Triggerung und -Decodierung.
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USB 2.0-Triggerung und -Decodierung

Die Option R&S®RTE-K60/RTO-K60 für das R&S®RTE/RTO unterstützt die Protokoll-Decodierung und -Triggerung für USB 2.0/1.1/1.0 und HSIC. Schnelle Verarbeitung, flexible Darstellung der Decodier-Daten sowie ein umfangreicher Satz an Trigger-Ereignissen machen diese Option zum unabdingbaren Werkzeug bei der Fehlersuche in Embedded Designs, die über USB-Schnittstellen verfügen.

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