Misure di conformità dell'erogazione di corrente dalle porte USB con gli oscilloscopi digitali Rohde & Schwarz

Uno dei vantaggi principali dello standard per l'erogazione di corrente attraverso le porte USB (USB PD), supportato dai connettori USB Type-C™, è la capacità di trasmettere potenza fino a 100 W. Utilizzando basse velocità di segnalazione, i dispositivi negoziano un profilo di erogazione di corrente USB PD. I fornitori di componenti di USB Type-C e i produttori di dispositivi che utilizzano lo standard USB PD devono garantire l'interoperabilità in termini di protocollo di handshake e integrità del segnale.

Attività da eseguire

Confermare la correttezza delle procedure di negoziazione dei parametri di alimentazione tra due interfacce USB Type-C mediante i test di conformità definiti dallo standard USB PD. Oltre alla conformità dello strato fisico deve essere verificata anche la conformità del protocollo per tutte le topologie di sistema.

Topologie di erogazione di corrente da una porta USB
Topologie di erogazione di corrente da una porta USB
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Background

Erogazione di corrente da una porta USB

L'associazione USB Implementers Forum (USB-IF) ha migliorato lo standard USB 2.0 e USB 3.1 inserendo le specifiche relativa all'erogazione di corrente da una porta USB. Lo standard prevede la possibilità di erogare potenza in modo flessibile fino a 100 W (fino a 20 V e 5 A). L'erogazione di corrente da una porta USB funziona in modo più efficace con i connettori USB Type-C e cavi che sono certificati fino alle versione USB 3.1 Gen 2 dello standard per supportare la velocità di trasmissione dati massima di(10 Gbps). Il nuovo design dl connettore supporta anche l'orientamento inverso della presa per semplificare il collegamento. Il connettore a 24 pin a due facce di tipo USB Type-C comprende linee di trasmissione dati ad alta velocità e un'interfaccia migliorata per l'erogazione di corrente. Gli host USB, i dispositivi e gli accessori negoziano le capacità di erogazione della corrente tramite il protocollo di comunicazione USB PD sul canale di configurazione (CC, configuration channel) recentemente introdotto. Questa procedura di handshake conferma la relazione tra generatore e carico verificando il profilo della massima potenza ammessa. Il diagramma seguente illustra le diverse topologie di profili USB PD supportate per i fornitori e gli utilizzatori di potenza o per i dispositivi che possono svolgere un duplice ruolo.

Profili di erogazione di potenza da porte USB
Profili di erogazione di potenza da porte USB
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Le interfacce USB Type-C erogano la potenza tramite quattro coppie di pin di alimentazione (Vbus). USB-IF ha definito cinque diversi profili USB PD.

I cavi e gli adattatori USB Type-C con funzionalità complete sono contrassegnati elettronicamente (e-mark) e contengono un chip con funzione ID che è accessibile tramite l'interfaccia CC. Il test della funzionalità e-mark è parte della specifica di verifica della conformità dell'erogazione di potenza tramite porte USB (CTS, compliance test specification).

Connessione USB focalizzata sulla negoziazione dell'erogazione di potenza
Connessione USB focalizzata sulla negoziazione dell'erogazione di potenza
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Integrità BMC PHY

Il protocollo USB PD sull'interfaccia di comunicazione CC utilizza il sistema di codifica Biphase Mark Code (BMC) per lo scambio dei profili di potenza tra due interfacce USB Type-C.

Per assicurare l'interoperabilità tra componenti e dispositivi USB, e per evitare eventuali danni dovuti a sovratensioni e correnti, è importante che il segnale BMC sia trasmesso come specificato nello standard. La segnalazione BMC PHY viene, pertanto, verificata con maschere di conformità. Le sequenze del segnale modulato della logica "uno" e "zero" sono valutate separatamente nei due diversi profili a maschera mostrati nella pagina successiva.

Schema del segnale USB PD BMC e maschera di conformità per "uno" (a sinistra) e "zero" (a destra)

Soluzione di misura e collaudo

Il test di conformità USB PD conferma una negoziazione di potenza appropriata sul collegamento CC delle interfacce USB Type-C per frequenze da 270 kbps a 330 kbps e verifica la qualità della potenza fornita sui pin Vbus. I parametri chiave per selezionare un oscilloscopio come principale strumento di acquisizione del segnale per i test di conformità USB PD sono: ampia gamma dinamica di misura, acquisizione ed elaborazione veloci nonché un ingresso nativo a 1 MΩ per le sonde di corrente.

Rohde & Schwarz offre, in collaborazione con il partner industriale Granite River Labs (GRL), una soluzione per effettuare i test di conformità con l'oscilloscopio digitale R&S®RTE o R&S®RTO. Il software di analisi GRL-USB-PD di GRL controlla l'apparecchiatura di prova ed esegue i test elettrici e di protocollo.

Configurazioni di prova

La configurazione di prova dipende dal ruolo del dispositivo sotto test. In tutti i casi, l'oscilloscopio R&S®RTE o R&S®RTO acquisisce le forme d'onda USB PD per l'analisi di conformità e la verifica del protocollo. Per misurare la tensione (Vbus) e la corrente (IL) sulla linea di alimentazione Vbus sono necessari una sonda di tensione passiva e una sonda di corrente. Un'altra sonda di tensione si connette al collegamento di comunicazione CC. Il test di cavi e adattatori di tipo USB Type-C si concentrano sulla validazione del codice e-mark sul segnale del collegamento CC.

Configurazioni di prova
Configurazioni di prova

Strumento per test di conformità GRL-USB-PD

GRL ha sviluppato il GRL-USB-PD, il software per eseguire le prove di conformità per connessioni USB PD sulla base delle specifiche CTS USB Type-C. Lo strumento utilizza le forme d'onda acquisite per generare diagrammi a occhio visualizzati sulle maschere per il test di conformità e per eseguire le misure per il test parametrico elettrico. Decodifica anche la segnalazione BMC per le verifica sul protocollo. Per i cavi e gli adattatori USB Type-C, lo strumento GRL-USB-PD supporta i test di conformità e-mark per USB Type-C. In combinazione con il controller di test GRL USB Type-C, il software GRL-USB-PD fornisce una soluzione completa per effettuare i test di conformità in modalità automatizzata. Alla fine dei test, il software genera un rapporto di collaudo completo.

Test GRL-USB-PD Diagramma a occhio USB PD BMC (fonte: GRL).
Test GRL-USB-PD Diagramma a occhio USB PD BMC (fonte: GRL).
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Il software GRL-USB-PD include le seguenti prove:

  • Conformità elettrica del physical layer (BMC-PHY)
    • Diagramma a occhio
    • Misure di temporizzazione (ad esempio bit rate, tempo di salita)
    • Controllo CRC
  • Conformità al protocollo USB PD e decodifica (BMC-PROT)
    • Decodifica dei pacchetti della linea CC
    • Decodifica VDM per i cavi e gli adattatori USB Type-C
  • Test di erogazione/assorbimento energetico (BMC-POW)

Controller di test USB Type-C

GRL ha sviluppato l'hardware per i controller di test USB Type-C (GRL-USB-PD-C1). Esso è dotato di funzionalità di controller USB PD, di un alimentatore per il test degli utilizzatori e fornisce la connettività al dispositivo sotto test e alle restanti apparecchiature di prova. Il controller configura il dispositivo sotto test per l'invio di adeguate risposte USB PD per i test di conformità.

Carico elettronico

Per ciascun profilo di potenza da verificare deve essere applicato un diverso carico per assicurare che l'alimentatore USB PD fornisca potenza sufficiente. I carichi elettronici di Chroma Systems Solutions, per esempio, sono in grado di simulare scenari di potenza differenti.

Ulteriori funzionalità di test USB con gli oscilloscopi digitali R&S®RTE e R&S®RTO

Software le prove di conformità USB R&S®RTO-K21.
Software le prove di conformità USB R&S®RTO-K21.
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Misure di conformità USB 2.0

Equipaggiato con l'opzione per test di conformità USB 2.0 R&S®RTO-K21, insieme con l'adattatore per test di conformità USB R&S®RT-ZF1 l'oscilloscopio R&S®RTO può essere utilizzato per effettuare le prove di conformità delle interfacce USB 2.0/1.1/1.0 e HSIC. Basato sul software R&S®ScopeSuite, il test di conformità è completamente automatizzato e offre la massima flessibilità per affrontare attività di debug, collaudo e certificazione di conformità.

R&S®RTE/RTO-K60 decodifica e triggering USB.
R&S®RTE/RTO-K60 decodifica e triggering USB.
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Triggering e decodifica USB 2.0

L'opzione R&S®RTE-K60/RTO-K60 per gli oscilloscopi R&S®RTE/RTO supporta la decodifica del protocollo e il triggering per i bus USB 2.0/1.1/1.0 e HSIC. L'elaborazione veloce, la visualizzazione flessibile dei dati di decodifica, nonché un set completo di eventi di trigger, rendono quest'opzione uno strumento essenziale per il debug di progetti integrati dotati di interfacce USB.