Một cổng USB-C hiện đại phải tự thoả thuận xem nó sẽ cấp bao nhiêu vôn và bao nhiêu ampe, với một thiết bị mà nó chưa từng gặp, trong vài chục mili-giây, và tuyệt đối không được đưa ra 20 V khi phía kia chỉ chịu được 5 V. Toàn bộ cuộc thoả thuận đó diễn ra trên một dây duy nhất — dây CC. Vì vậy kiểm thử USB PD luôn có hai nửa tách rời nhau: nửa giao thức, xem hai bên nói gì với nhau; và nửa điện, xem VBUS thực sự làm gì sau khi thoả thuận xong.
Bài viết đi theo đúng trình tự mà một cổng USB Power Delivery thật trải qua — phát hiện kết nối, thông báo dòng, thương lượng điện áp, rồi cấp nguồn — và chỉ ra ở mỗi bước cần đo gì, cần thiết bị nào, và hạng mục nào thuộc về phép thử compliance.
Trước khi có USB PD: Rp, Rd và ngưỡng trên dây CC
Cổng nguồn treo một điện trở kéo lên (Rp) trên mỗi chân CC; cổng tải treo một điện trở kéo xuống (Rd). Điện áp hình thành trên chân CC vừa cho biết đã có kết nối, vừa cho biết chiều cắm của đầu nối, vừa mang thông tin về khả năng cấp dòng — tất cả trước khi bất kỳ gói tin nào được gửi đi.
Giá trị Rp mà chuẩn USB Type-C quy định cho phía nguồn:
- Dòng USB mặc định: nguồn dòng 80 µA ±20%, hoặc điện trở 56 kΩ ±20% kéo lên nguồn 4,75–5,5 V, hoặc 36 kΩ ±20% kéo lên 3,3 V ±5%.
- 1,5 A tại 5 V: 180 µA ±8%, hoặc 22 kΩ ±5%, hoặc 12 kΩ ±5%.
- 3,0 A tại 5 V: 330 µA ±8%, hoặc 10 kΩ ±5%, hoặc 4,7 kΩ ±5%.
Phía tải, Rd được hiện thực bằng điện trở 5,1 kΩ ±20% xuống đất (điện áp trên chân tối đa 2,18 V), hoặc bằng mạch ghim điện áp 1,1 V ±20% (tối đa 1,32 V).
Đặt ngưỡng máy hiện sóng cho đúng
Điểm dễ sai nhất khi soi dây CC là dùng một ngưỡng cố định cho mọi trường hợp, trong khi ngưỡng phụ thuộc vào mức dòng mà nguồn đang thông báo. Nhìn từ phía nguồn:
- Ở mức mặc định: vùng cáp có nguồn (vRa) là 0,00–0,15 V với ngưỡng 0,20 V; vùng có tải (vRd) là 0,25–1,50 V với ngưỡng 1,60 V; không kết nối là từ 1,65 V trở lên.
- Ở mức 1,5 A tại 5 V: vRa 0,00–0,35 V (ngưỡng 0,40 V); vRd 0,45–1,50 V (ngưỡng 1,60 V); không kết nối từ 1,65 V.
- Ở mức 3,0 A tại 5 V: vRa 0,00–0,75 V (ngưỡng 0,80 V); vRd 0,85–2,45 V (ngưỡng 2,60 V); không kết nối từ 2,75 V.
Một cổng bị đánh giá “không nhận thiết bị” rất thường chỉ là chân CC nằm sát mép một trong các ngưỡng này — và đó là lỗi chỉ nhìn thấy được bằng phép đo mức một chiều trên dây CC, không phải bằng công cụ giải mã giao thức.
Lớp giao thức: BMC trên dây CC
Khi cả hai phía đều hỗ trợ Power Delivery, việc thoả thuận diễn ra bằng các gói tin mã hoá Bi-phase Mark Code (BMC) truyền trên chính dây CC đó. Đặc điểm này định hình cách đo: cùng một dây mang cả mức một chiều tĩnh lẫn dữ liệu, nên phép đo phải bắt được cả hai trên cùng một lần thu.
Trước khi có hợp đồng PD, thông tin duy nhất là mức dòng Type-C, và bảng quy đổi sang công suất khá khiêm tốn: 500 mA tương đương 2,5 W, 900 mA là 4,5 W, 1500 mA là 7,5 W; mức thông báo 1,5 A là 7,5 W và mức 3,0 A là 15 W. Mọi thứ vượt 15 W đều bắt buộc phải đi qua thoả thuận PD.
Một quy tắc dễ bị bỏ sót khi viết kịch bản thử: khi hợp đồng PD đã có hiệu lực, thiết bị tải không còn phải theo dõi và không được phản ứng với các thông báo dòng Type-C nữa. Kịch bản thử nào trộn hai cơ chế này vào nhau sẽ cho ra kết luận sai về thiết bị.
Từ SPR tới EPR
USB PD 3.1 giữ nguyên dải công suất tiêu chuẩn (SPR) tối đa 100 W tại 20 V/5 A và bổ sung dải công suất mở rộng (EPR) lên tới 240 W tại 48 V/5 A, với ba mức điện áp cố định mới là 28 V, 36 V và 48 V. Vì mức nguy hiểm hơn hẳn, EPR bắt buộc dùng chuỗi bản tin riêng, thiết kế sao cho không một lỗi truyền đơn lẻ nào dẫn tới thoả thuận ra điện áp trên 20 V. Đây là hạng mục cần thử kỹ nhất bằng cách chèn lỗi có chủ đích, chứ không phải bằng cách chạy đúng kịch bản thành công.
Lớp điện: VBUS phải nằm trong cửa sổ nào
Sau khi thoả thuận xong, câu hỏi còn lại rất kỹ thuật: điện áp thực tế có giữ được không khi tải thay đổi. Chuẩn quy định cửa sổ khá rõ:
- Với bộ sạc chỉ thông báo dòng Type-C (không có PD): điện áp ra phải nằm trong 4,75–5,5 V khi không có dòng, và 4,0–5,5 V tại 3 A.
- Với bộ sạc PD đã thoả thuận điện áp V ở mức dòng tới 3 A: điện áp ra phải nằm trong khoảng V ±5% khi không tải, và biên dưới được phép tụt thêm 0,75 V tại 3 A.
Đây là cửa sổ mà một tải điện tử lập trình được dùng để dò. Cách làm thực dụng: đặt tải quét dòng theo bậc từ 0 lên tới trần đã thoả thuận, ghi điện áp ở từng bậc, rồi vẽ đường tải và đối chiếu với cửa sổ trên. Keysight EL34243A phù hợp cho việc này: hai đầu vào độc lập cách ly, mỗi đầu 150 V, 60 A, 300 W (tổng 600 W), đủ bốn chế độ dòng không đổi, áp không đổi, điện trở không đổi và công suất không đổi. Hai đầu vào ghép song song được để thử tới 120 A và 600 W — nhưng chỉ ở chế độ CC, CR và CP; chế độ CV không hỗ trợ ghép song song.
Chế độ hữu ích nhất khi thử PD là công suất không đổi: nó mô phỏng đúng hành vi của thiết bị tiêu thụ thật, vốn giữ nguyên công suất khi nguồn chuyển từ 9 V sang 15 V hay 20 V, tức dòng phải thay đổi theo.
Đo gợn và quá độ khi chuyển mức điện áp
Thời điểm rủi ro nhất của một cổng PD là lúc chuyển từ mức điện áp này sang mức khác. Ở đây cần một đầu dò đủ nhạy để nhìn thấy gợn cỡ milivôn trên nền một mức một chiều lớn. Keysight N7020A được thiết kế đúng cho bài toán này: băng thông 2 GHz, tỉ số 1:1, trở kháng vào một chiều 50 kΩ nên không kéo tụt đường nguồn, dải tín hiệu tích cực ±850 mV và chỉ làm tăng khoảng 10% nhiễu nền của máy hiện sóng.
Một giới hạn phải nói thẳng: dải bù offset của N7020A là ±24 V. Nó phủ trọn các mức SPR tới 20 V, nhưng không phủ được các mức EPR 28 V, 36 V và 48 V. Khi kiểm thử EPR, phần đo gợn phải chuyển sang phương án đầu dò khác hoặc dùng mạch chặn một chiều — đây là điểm cần chốt trong danh mục thiết bị trước khi lên kế hoạch thử, chứ không phải phát hiện lúc đã cắm dây.
Cấu hình bàn đo tối thiểu cho kiểm thử USB PD
Một bàn đo USB PD dùng được cần ba thứ, theo thứ tự quan trọng:
- Máy hiện sóng đa kênh để bắt đồng thời dây CC (giao thức và mức một chiều) cùng VBUS (thời điểm và biên độ chuyển mức). Keysight MSOX3104G có 4 kênh tương tự cộng 16 kênh số, băng thông 1 GHz và chế độ peak detect bắt được xung hẹp tới 250 ps — đủ để soi cả gói tin trên CC lẫn quá độ trên VBUS trong cùng một lần thu.
- Tải lập trình được để dựng đường tải và kiểm cửa sổ điều chỉnh.
- Đầu dò đường nguồn cho phần gợn và quá độ, với dải offset phù hợp mức điện áp cao nhất sẽ thoả thuận.
Lưu ý cấu hình: khi dùng cả bốn kênh tương tự trên MSOX3104G, tốc độ lấy mẫu là 2,5 GSa/s thay vì 5 GSa/s ở chế độ ghép kênh. Với gói tin trên CC thì tốc độ này thừa; với quá độ cạnh nhanh trên VBUS thì nên cân nhắc giảm số kênh dùng đồng thời.
Về mặt phương pháp luận, cách tiếp cận ở đây rất gần với kiểm thử lớp vật lý của các chuẩn USB tốc độ cao — chủ đề được bàn riêng trong bài Kiểm thử USB4 và DisplayPort 2.1: yêu cầu lớp vật lý và đồ gá.
Kết luận
Kiểm thử USB PD thất bại thường không phải vì gói tin sai, mà vì một trong ba thứ rất cơ bản: mức một chiều trên dây CC nằm sát ngưỡng, VBUS rơi ra ngoài cửa sổ điều chỉnh khi tải nặng, hoặc chuỗi bản tin EPR không chịu nổi lỗi chèn. Cả ba đều đo được bằng một bàn đo gọn. Việc cần làm trước tiên là xác định mức điện áp cao nhất sẽ thoả thuận, vì con số đó quyết định toàn bộ danh mục thiết bị phía sau.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình bàn đo USB PD, chọn tải điện tử và đầu dò phù hợp, hoặc lên lịch hiệu chuẩn định kỳ, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
