USB-C在消費性電子裝置的滲透率逐年攀升，帶動高速傳輸應用的發展，其終端裝置充電、安全與效能的使用仍備受關注，特別是充電產生的安全疑慮，本文將討論USB PD規範的可程式設計電源供應如何解決終端裝置充電問題。
USB Type-C(USB-C)擁有高度擴展之技術可塑性，同時整合了資料、影像和電源的介面，外型輕薄，傳輸速度相較現行USB Micro-B大幅提升，在此優勢之下，替換既有的各種傳統USB介面之產品並非難事。搭配USB PD(USB Power Delivery)規格，足以涵蓋日常生活中消費性電子產品之功耗，USB PD已成為新一代行動裝置的功率傳輸規格。
在Android手機陣營，USB Type-C介面普及化，關於手機充電，安全與效能仍是使用上的重要課題。使用非原廠充電器，倘若遇到充電無反應、無法快充、手機發燙，甚至導致手機或電池爆炸，都時有耳聞。手機高壓充電與內部降壓所產生之發熱問題，以往是難解之題，此困境如今都可以透過USB PD規範的可程式設計電源供應(Programmable Power Supply, PPS)解決。
PPS規格通常用於行動裝置的低壓大電流直充解決方案，可調整電壓幅度20mV/step，電流幅度50mA/step，其優勢為可避開恆流機制所帶來的輸出電壓劇烈波動，上述劇烈波動不利於手機內部Bypass迴路管理及晶片組的供電安全。PPS規格正逐漸成為智慧手機的快速充電主流規範，提供快速且安全充電。為使充電安全無慮，USB-IF協會(以下簡稱USB-IF)在認證USB PD充電器之測試規格相當嚴謹，以下列出測試相關儀器與項目(表1)。
USB-IF為了確保市面上流通之產品皆符合規格，為硬體供應商制定了一套合理且必要的評估標準Compliance Program，通過測試之產品，將可被加入Integrator List，並取得使用USB認證標誌的使用權利。目前已有廠商，如威鋒電子的USB PD協定晶片VP302已獲得PD 3.0認證，也是USB-IF的KGS(Known Good PD Source)標準測試品(圖1)。各製造商之產品欲取得USB-IF認證，需通過有威鋒VP302 KGS的相容測項。VP302支援USB PD 3.0 PPS規格，同時支援高通(Qualcomm)Quick Charge 4或Quick Charge 4+快速充電規格，適用於USB Type-C電源供電端應用。威鋒電子與美國知名電子元件供應商PI(Power Integrations)合作，VP302搭配PI InnoSwitch-3 Pro系列，可大量縮減充電器周邊零件，提供極小體積的充電器設計，並完整支援USB PD 3.0 PPS全系列15W/18W/20W/27W/45W/60W/100W參考設計，最終成品小巧便攜，適用現行市面上各種充電模式。
圖1 USB-IF協會認證KGS標準測試品
USB Type-C多埠充電器穿針引線
隨著行動裝置逐漸採用USB Type-C介面，使用者亦追求簡單且便攜的充電器，多埠充電器因而愈發重要。目前市面上的USB Type-C多埠充電器，依據使用場景不同，僅能做到簡易的固定電源分配，如下舉例：
・65W雙埠充電器
若僅使用第一埠最高輸出可達65W；若僅使用第二埠最高輸出可達18W；若同時使用雙埠充電時，則固定分配為第一埠最高輸出45W，另一埠則為18W。
・60W雙埠充電器
若僅使用單埠可充電60W；若雙埠同時充電時，則將電源輸出平均分配至兩埠各30W。
上述電源分配雖然簡單易懂，但有所不足。當雙埠同時充電時，其一裝置電池電量接近充飽時，進入涓流狀態，以低速並恆定對電池提供極小的充電電流；此時，另一埠仍配給固定的電流充電，無法動態挹注多餘電源，難以充分利用電源。
因此USB PD協定晶片需具備動態智慧電源管理功能，更有效率地分配電流輸出。威鋒USB PD協定晶片的動態智慧電源管理有兩大特色：其一內建MCU，可由其外部SPI Flash，根據不同的產品規格，進行韌體客製與更新，可記憶特殊充電瓦數的裝置，依其所需提供電流。如市面上有充電瓦數不可低於45W的特殊筆電機種，USB PD協定晶片可透過辨識其Vendor ID與Product ID，滿足其客製需求。
另一特色為即時偵測充電電流，當雙埠充電時，倘若其中一個裝置已進入涓流狀態，USB PD協定晶片可將多餘的充電電源，動態分配至另一埠，發揮其最大的充電效益。例如，使用60W雙埠充電器，若雙埠同時充電、且接入的裝置皆無特殊要求，會以兩埠平均分配各30W。若接入要求充電瓦數至少45W的筆電，USB PD協定晶片則會聰明分配一埠為筆電所需求的45W，而另一埠則為15W，待筆電充電即將完成時，進入涓流狀態，USB PD協定晶片亦動態調整其充電電源從45W下調至10W，將多餘的35W轉移至另一埠，調整成為10W與50W；若雙埠的裝置皆進入涓流狀態，即調回原設定各30W，相比於目前市面上其他多埠充電解決方案，可說是極具特殊性的設計。
圖2 充電/耳機盲插轉接器
此外，USB PD協定晶片支援智慧自動待機功能，當接上的設備處於無動作狀態時，立即進入深度節能模式，為市場上首見高效率且達到智慧的充電晶片方案。
USB Type-C帶來便利，然而裝置汰換期間，難免有無法兼顧的過渡問題。為節省空間並加強手機防水功能，手機品牌業者陸續移除3.5mm耳機孔，手機僅配置唯一USB Type-C埠，消費者無法同時使用耳機並為手機充電。為解決此困擾，兼顧此兩種使用者習慣的轉接器應運而生。
現已有廠商，如威鋒電子推出VL10X系列解決方案，可簡易設計為USB Type-C埠及3.5mm耳機孔並存的轉接器；也可設計為兩個下行USB Type-C埠任意支援充電與USB Type-C數位耳機，實現盲插功能，同時支援華為快速充電模式(Fast Charger Protocol, FCP)與超級充電模式(Super Charger Protocol, SCP)以及高通快充模式(Quick Charge, QC)(圖2)；威鋒DisplayPort替代模式USB PD控制晶片，同時整合一個上行USB Type-C埠與兩個下行USB Type-C埠，兩下行埠皆支援裝置充電與耳機使用，實現任意插拔(盲插)功能，提升用戶使用經驗，大幅降低PCB尺寸，裝置設計因此有更多變化(圖3)。該晶片有業界首創擴充電源功能(Charger Extender)，依據上行埠接入裝置不同，讓USB Type-C轉接器或擴充底座輕鬆對筆電、手機、行動電源、藍牙耳機等「帶電池裝置」同時充電。此外，DisplayPort替代模式USB PD控制晶片另一項突破，則是支援獨家的「自動休眠模式」，透過演算法判斷，當與該晶片有連接的相關介面暫無資料傳輸，計時器等候達到預設值，隨即進入自動休眠模式，只留下最少的功能區塊以最慢的頻率運作，此時功耗可低至約1mA。以USB PD協定的特性，通常只有介面連接之初，才有頻繁的資料傳輸，之後就是長時間的無資料傳輸(圖4)。因此DisplayPort替代模式USB PD控制晶片支援自動休眠模式的技術，協助產品展現極佳的節能優勢，也方便使用者充分利用其手邊現有的充電器。
圖3 多功能多埠可盲插轉接器
圖3 多功能多埠可盲插轉接器
智慧型手機，從高階旗艦款至一般價格款，幾乎全面採用USB Type-C，滲透率普及至所有Android系列，更延伸至平板及更多3C裝置，透過轉接器或擴充底座，使用者可將手機做為桌機應用；而手機遊戲與線上影音產業蓬勃發展，投屏需求也日益攀升，只要善於利用USB集線器，選擇搭配DP Alt-mode控制晶片、USB PD控制晶片，可將充電、高速傳輸、HDMI功能完美結合，無論何時何地，使用者皆能透過USB Type-C享受擴充的便利。
身處現今4G網路時代，從網路搜尋、影音網站進展至串流平台，使用者習慣帶動數位轉型，為市場帶來巨大的改變。自YouTube、土豆網等影音網站，到Netflix、Spotify等影音APP，網路科技曾重創影音產業，如今也因網路科技搭配硬體裝置重整了影音產業。根據2019年全球音樂市場市調機構IFPI報告指出，全球對串流音樂平台的參與度相較2018年提高8%，使用者願意以各種形式接觸影音，業者也積極以多樣化平台催化市場。根據高盛預測，2030年的音樂產業營收將因線上串流倍增，並將寫下突破千億美元的紀錄。USB-IF協會發表USB4規格，日後僅需使用一條USB Type-C連接線，即可相容Thunderbolt和DisplayPort產品，數據與影像傳輸便利度大幅提升，開啟未來更多影音選擇與可能。
多元應用高速需求日增 USB4普及指日可待
USB4將是技術的突破契機與挑戰，除了技術架構與傳統USB的差異，更需要思忖未來應用場景的樣貌。2019年9月，協會已發表USB4規格，USB將擁抱更多規格且僅限相容USB Type-C介面。
隨著科技突破、手機處理器效能增強，今日手機逐漸取代桌機多數功能，是為日常不可或缺的電子產品。品牌在需求中找尋商機，擴展手機應用，例如虛擬實境VR，從厚重頭盔搭配電腦主機演化至今，能以智慧型手機搭配VR眼鏡，裝置的輕巧便利化，搭配手機營造出人人都有可攜式口袋電腦的氛圍，可期待VR普及化的機會來臨，更讓業者期待5G拓展影音帶來的各種新機會，網路帶動傳輸速度需求攀升，亦有助USB Type-C周邊應用高速成長。
(本文作者皆任職於威鋒電子)