攸關Type-C性能安全    線材/連接器認證不容輕忽

以通用序列匯流排(USB)為例，自2000年協會發表USB 2.0後(表1)，開始了統一資料傳輸介面的革命。先是鍵盤、滑鼠的傳統PS/2介面漸漸被USB介面取代；而後是印表機、喇叭及各類傳輸介面；在行動裝置，如筆電、平板上最後也被USB介面取而代之。 

表1 USB傳輸介面演進

隨後USB協會在2008年發表USB 3.0規格；並在2013年發表USB 3.1規格後，取消了USB 3.0規格，即USB 3.1 Gen 1(資料傳輸速率維持5Gbit/s)；而後繼續發表USB 3.1 Gen 2規格(資料傳輸速率提升至10Gbit/s)。這一連串增加資料傳輸頻寬的動作，不免讓人聯想到USB協會是否準備發起第二次革命，將更多的介面也一併整合統一為USB的規格中？果不其然，在2014年USB協會發表了一款新的介面--USB Type-C，並向世人宣告了USB的野心。 

USB Type-C問世 同時供電傳輸資料影音  

USB Type-C是一個能力強大的傳輸介面，內含24個腳位(Pin)，有兩對超高速傳輸通道及一對高速傳輸通道，可支援USB自身的標準USB 2.0、USB 3.1 Gen 1、USB 3.1 Gen 2，而在電力傳輸能力也支援到5伏特(V)/3安培(A)，如此多功能的介面受到了許多陣營的青睞而採納，因此可支援多種標準協定如Thunderbolt、DisplayPort(DP)及高解析度多媒體介面(HDMI)，蘋果最新的MacBook Pro甚至只搭載USB Type-C，更不用說越來越多的智慧型手機採用USB Type-C。單一傳輸埠可同時供應裝置電力、資料傳輸並支援影音傳輸(圖1)，不論對於追求行動裝置體積越來越小的使用者以及製造商而言，此介面絕對是最佳選擇。 

圖1 USB線材涵蓋功能越來越廣泛

USB協會的版圖不只在支援資料傳輸，電力供應也一直是致力發展的領域(圖2)，在USB 2.0時代即可支援5伏特/500毫安培(mA)約2.5瓦(W)的電力，2007年協會發表了Battery Charge 1.0(BC 1.0)的標準，2008年發表的USB 3.0已可支援5V/900毫安培相當於4.5瓦的電力，2010年發表Battery Charge 1.2版進一步支援到5V/1500毫安培相當於7.5瓦，無論是USB 2.0的2.5瓦、USB 3.0的4.5瓦或BC 1.2的7.5瓦。 

圖2 USB標準的電力供應發展

這些過去伴隨在USB的供電規格，雖可提供充電功能給如手機等較小型的行動裝置，但即便是BC 1.2支援的7.5瓦亦須耗時較長的時間充電，也無法支援筆電、螢幕甚至平板的充電功能，因此USB協會組成一個小組，目的在討論制定一種電力傳輸規格，可支援更多電子產品的供電功能，並在2012年首度發表了Power Delivery(PD) 1.0。 

Power Delivery 1.0制定了五種層級的供電等級，最高支援到20伏特/5安培相當於100瓦的電力供應量，並且有電源供應的方向不再單一的特性，供電端(Source)與收電端(Sink)可互為雙向式的電源供應，以300kbit/s傳輸速度來傳遞Frequency Shift Keying(FSK)訊號載在23.2MHz的VBUS通道(Channel)上，決定實際發送的電壓值與電流值，讓各種裝置皆能透過單一USB線纜滿足供電需求，縮短裝置充電時間並優化行動應用的便利性，同時能夠相容既有的USB及Battery Charge充電規範。 

USB協會在2014年發布的PD 2.0標準將Type-C加入規格中，並透過Type-C的Communication Channel(CC)來進行雙向溝通決定收發的電壓和電流。此舉不僅讓USB的供電的能力涵蓋範圍更廣，也讓USB的能力更加完整。 

USB傳輸介面一統　線材設計面臨挑戰 

USB將版圖擴展至此，意圖一統整個傳輸介面，將資料傳輸、電力供應以及影音支援整合在同一傳輸埠中，卻產生了許多問題，其中最先被發現的是在高速傳輸介面一直被忽略的組件--傳輸介質高速線材。這個以往不被重視的組件，理應是接上即用，並無任何問題會產生，為何會在裝置的傳輸速率越來越高之後逐漸被重視？ 

首先，在以往的傳輸速率，一般品質的銅絞線尚可支援到Gbit/s等級的資料傳輸，但當傳輸速率達到了5Gbit/s，製線工藝不足的廠商開始面臨嚴峻的挑戰，首先是傳輸距離的縮短，因為在高速訊號的傳輸下損耗太大，再也無法像以往動輒5∼10米(m)的傳輸距離，而當傳輸速率達到10Gbit/s時，甚至連傳輸距離1米的長度都會有問題。 

其次，USB 3.1 Gen 1將四條線分別組成兩對差動訊號，提供全雙工傳輸能力，剩下的一條做為整條導線的遮蔽以及接地。差動訊號運作頻率為2.5GHz，達到5Gbit/s的頻寬，為了把輻射出去的電磁波降低，USB使用展頻(Spread Spectrum)技術，把原本集中在2.5GHz頻率的能量往上和往下延伸，讓原本存在於2.5GHz的能量降低，同時也降低了輻射電磁波。此舉看似合理，但卻無意間將目前廣泛使用的無線傳輸技術如802.11b/g/n、藍牙、或是其他使用無線傳輸技術的滑鼠鍵盤使用頻段2.4GHz涵蓋入內，使原本單一的2.5GHz干擾經過展頻後，變成無法完全使用濾波器濾除的干擾雜訊。 

第三，高瓦數充電能力雖提供更多的便利性，但依舊存在相當的危險性，裝置被燒毀的新聞亦時有耳聞，即便協會規範高速線材產品欲宣稱支援Power Delivery就必須搭載電子標記(Electronically Marked, E-Marker)，但仍有不少廠商在未取得高速線產品認證的情況下，未搭載電子標記便生產這類Type-C傳輸線，這相當危險也容易造成裝置的損壞。 

傳輸線經過認證　確保使用功能與安全 

在問題慢慢浮現後，傳輸線的認證便變得相當重要，一條經過認證的線材不僅能確保功能正常，也能保障使用者的安全，製造商和使用者漸漸將線材的認證與否當作最優先的考量，而USB協會也發布針對各類線材進行測試的認證方案，讓製造商可以自行透過協會的認證實驗室，進行產品測試並取得認證。 

USB線材及連接器認證面面觀 

針對USB相關的線材及連接器認證測試大致可分為四個類別(表2)，包括機械性測試、環境測試、效能測試以及電性測試。 

表2 USB線材與連接器認證測試項目

・機械性測試 

包含Mating/Un-Mating Force、Durability、4-Axis Continuity等，確保產品的機械性夠強韌，足以負荷消費者的各種使用情況。 

・環境測試 

則包含Temperature Life、Thermal Shock、Cyclic Temp. & Humidity、Mixed Flowing Gas等，確保產品能在多種條件的環境下使用。 

・效能測試 

包含Attenuation、Skew、Insertion Loss、Attenuation等測試，主要目的在了解產品的訊號傳輸品質，確保產品能正常傳輸高速訊號。 

・電性測試 

包含LLCR、Capacitance、Withstand Voltage、Insulation Resistance，除了解產品的品質外，也可確保在高電力傳輸下不會造成產品損壞，保障使用者安全。 

關於詳細測試細節，可參閱協會認證文件：Universal Serial Bus Cables and Connectors Class Document, Rev. 2.0, August 2007、Universal Serial Bus 3.0 Connectors and Cable Assemblies Compliance Document, Rev. 1.02, October 4, 2011，以及Universal Serial Bus Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document, Rev. 1.1, May 28, 2016。 

針對Power Delivery，協會也訂出兩本實作方法(MOI)來規範產品須要進行的認證測試，分別為Deterministic MOI和Communication Engine MOI，用來確保PD的功能有被正確地使用，在高功率的電源傳輸模式下不會造成任何危險。 

而USB Type-C在未支援PD的情形下本身可提供5伏特/3安培的電力，也讓許多供應商拿來發展電源供應裝置，因此協會定義出一種產品歸類為Power Brick，凡是充電裝置帶有Type-C母座或是Type-C Captive Cable公頭，經過認證測試後即可以被認證為Power Brick合格，並使用Charger認證的標識(表3)。 

表3 USB認證後可使用的標識

催生IEC 62680系列標準 致力降低電子廢棄物產生  

有鑑於USB介面在影音、數位、電力傳輸的廣泛應用，國際電工委員會(IEC)和USB協會在2016年7月發表了聯合新聞稿，IEC 62680系列標準正式採用最新USB Type-C、USB Power Delivery和USB 3.1規格(表4)。藉由這些標準整合，期待減少全球外部電源供應器的電子廢棄物的產生，促進回收再利用，維護消費者的使用便利性，並維持產品的可靠度和安全性。 

表4 IEC 62680系列標準

UL/USB協會攜手測試 創造安全使用環境  

致力提升安全生活與環境的國際安全科學領導機構(Underwriters Laboratories, UL)，自2016開始便積極與USB協會合作，於2016年下半年成為協會認可的測試實驗室(Independent Test Labs, ITL)，全力協助USB協會進行線材及連接器認證測試，管控市場上的商品，目前測試實驗室建置在台北北投，提供完整的USB線材及連接器的認證測試服務。 

(本文作者為UL專案工程師)