標準剖析 | 從 UL 9990 安全標準看高速線纜數據電力線纜多工的安全與性能
高速傳輸數據電力線纜多工 安全關鍵在哪裡？
從UL 9990安全標準 看安全與性能的隱憂與規範
高速數據電纜取代了傳統的電源線，被廣泛應用在資通訊 (ICT) 設備上。為了滿足更快速的充電，以及為高功率設備供電的市場需求，ICT 數據充電線的功率容量不斷增加。然而，在實際應用過程中，你可能不知道的是…若使用結構不良的電纜，容易伴隨潛在的過熱和火災風險！UL 9990 安全標準與認證，正力圖解決因兼容性產生的安全問題。
1990 年代崛起的 USB 技術，讓 ICT 設備間，實現了近乎無縫的互操作性。USB 技術取代了曾經無所不在連接電腦和其週邊裝置的串列和並列埠，亦進一步推動了更先進 ICT 設備的連接發展，例如智慧型手機、可攜式媒體播放器、硬碟和網路轉接器。儘管 USB 接口從一開始就被設計成至少為所連接的設備進行一定程度的供電，但現今的 USB 技術，允許用戶在設備之間供應和傳送比以往更高的電力。
隨著 USB 供電技術的發展，讓 USB 介面得到了廣泛的採用和使用，同時對其本身也帶來了一系列的挑戰。儘管在 USB 規範中，對電源傳輸和電池充電協議進行了仔細且全面的定義，但仍然存在不合規的設備和電纜，讓用戶面臨諸多問題。這些問題包括充電速度慢、設備無法按預期運行，以及可能增加導致火災風險，或設備的損壞。
為此，我們即透過白皮書，提出對 USB 發展的觀察，以及該如何透過 UL 9990 標準與認證 ── 這本因應而生的全新標準，去規範並解決 ICT 產品高速電纜的安全隱憂。以下為該白皮書的內容摘錄。事實上，高速傳輸數據電纜的安全與性能，是與高科技產業的技術發展環環相扣，故其已成為橫跨供應鏈所關切的重要議題。
USB 技術的演變
二十多年來，USB 技術為 ICT 設備的先進發展帶來了重要的貢獻。在此期間，USB 協議經過不時的更新或修訂，提高了數據傳輸速度和跨平台的兼容性。這些進步有助於推動電腦、筆記型電腦、平板電腦和智慧型手機的整體性能發展，極大地簡化了全球數十億用戶的連接問題。最初 USB 1.0，僅支援 1.5 Mbps 的數據傳輸速率。發展至今，USB 3.0 系列規範的電纜、連接器和插座，已可以支援 5 Gbps 的傳輸速度。而最新的 USB 3.2，則將倍增至 20Gbps，這幾乎是最初 USB 1.0 接口的 1000 倍。
在電力傳輸方面， USB 開發者論壇 (USB-IF) 有並行制定 USB 電力傳輸規範，USB 3.0 系列規範電纜在連接設備之間提供了更穩定的直接電源連接。《USB 電力傳輸修訂版 3.0》於 2017 年初發佈，其中採用專門設計的新型微型連接器，在 5 安培電流下可提供高達 20 V的最大功率，而在最早的電池充電規範中，在 1.5 安培電流下最大功率僅為 5 V，在USB 2.0 規範中電流則僅為 0.5 安培。借助該功能，將能有效透過與其他通電設備的連接來為設備供電，並有助於减少每台設備對專用電源連接的需要。
另根據 USB 3.0 系列協議設計的 USB 設備支援向下相容。根據 USB 規範進行設計後，USB 3.0 電纜和連接器具有小型可逆向相容的連接器，既可以連接到主機，又可以連接到設備。兼容性接口已被大多數廠商廣泛採用，逐漸成爲許多型號的筆記型電腦、平板電腦和智慧手機的標準配備。
USB 開發者論壇
USB 技術的快速發展和廣泛應用，主要是 ICT 產業共同努力開發和維護通用技術規範的結果。USB-IF 是一個非贏利性組織，於 1990 年代初由一小組領先的技術公司創立，透過開發制定產業認可的規範，支援了 USB 技術的廣泛應用。該組織現在擁有超過 700 家成員公司，其在相關領域的各項努力有助於 ICT 開發人員擺脫大量不兼容的端口和連接器，以及採用可互換的通用連接技術。
USB-IF 目前已制定了許多技術規範，旨在解決各種 USB 技術在多種連接器應用中的設計和性能問題。USB-IF 的規範主要分爲以下幾類：
- USB 技術規範 — USB 技術規範定義了 USB 設備的數據傳輸速率。USB 1.0 於 1996年發佈，是 USB-IF 發佈的第一個規範。最新的 USB 3.2，於 2017 年 9 月發佈。
- 連接器規範 — USB-IF 連接器規範定義了連接器的各項屬性，包括尺寸、方向、插座/插頭特性、耐用性和兼容性。最新 USB-IF 連接器規範於 2014 年底發佈。
- 電力傳輸規範 — USB-IF 電力傳輸規範的制定是為了支援能透過 USB 連接器和電纜輸送更高的電力。最新的電力傳輸標準是 2017 年初發佈的《USB 電力傳輸修訂版 3.0》(1.1 版)。
為確保 USB 設備與這些和其他規範的兼容性，USB-IF 還制定了一項合規計劃，主要在對新開發的 USB 連接器、電纜組件和其他設備進行評估。根據該計劃，將會對 USB 設備進行與設備類型一致的指定測試。該測試由 USB-IF 授權的第三方測試實驗室，如 UL 進行，或設備製造商可以選擇加入 USB-IF 發起的合規研討會，成為可執行測試和生產符合 USB-IF 標誌資格的產品。
擁有合法獲得的 USB-IF 標誌的 USB 設備，可以幫助零售商和消費者確保這些設備的性能。不幸的是，市場上已出現附有僞造標誌的 USB 產品。且其他值得注意的是，根據 USB-IF 認證計劃進行的測試，是不能取代針對連接器和電纜組件產品的安全要求和認證。必須依據適用的法規和技術標準，進行額外的安全評估。
電源線和轉接器的挑戰
新連接規範的導入，有助於 ICT 設備的設計和可攜性。這些插座和端口由於尺寸較小，讓設計人員可以打造更多外形纖薄、重量較輕的 ICT 設備。且新的連接必須向下兼容早期的USB 規範，包括 USB 1.0 和 USB 2.0，可以更方便的連接設備和週邊裝置。
同時，採用符合最新 USB 電力傳輸規範技術的設備，還消除了對專用電源端口的需求，讓用戶可以更加靈活地為其設備充電。然而，由於某些 ICT 電源線和轉接器結構不良，可能會使這種潛在的優勢大打折扣。某些情况下，這些設備上的連接器只是不符合正確的連接器規範。還有些情况下，電纜/轉接器組件設計不當，導致無法安全承載所需電流，用於識別功率要求或功能的所需電子標記無法發揮預期作用，或者導線沒有正確端接。而且，一些電纜和轉接器採用耐熱性和阻燃性不足的材料製成，可能潛藏過熱或火災蔓延的風險。
不幸的是，ICT 電源線的這些缺陷，實務上可能會使其所連接的設備發生故障或遭到損壞。2016 年初，在 CNET 網站上公佈的一份報導，有兩名技術專業人員報告他們將網路上購買的 USB-C- 到 -USB-A 轉接器插入筆記型電腦時，遭到了嚴重損壞。對於這兩種情况，問題都與轉接器中使用的電阻器不符合相關 USB-IF 規範相關。所涉兩名專業人員之一是 Google 工程師，他隨後對網上購買的 100 多種不同的轉接器進行了評估，並確定其中一半以上不符合相關 USB 規範。
UL 亦針對此部份進行了單獨測試，其中即是根據 UL 安全標準對在公開市場上隨機購買的一組未經認證的 USB 電纜進行了電纜燃燒測試。雖然樣本量相對較小，但被測電纜不到 28％ 通過了燃燒試驗，而且許多被測樣本完全被火焰湮滅。
雖然結構不良是導致電纜和轉接器故障的關鍵因素，但配置的多樣性，及對電纜標識和標誌含義的認識普遍缺乏，也會造成消費者的混淆。這種混淆可能會導致購買到符合相關規範，但與其實際設備不兼容的 ICT 電源線。在可供購買的電纜產品的網路清單中，通常無法看到這些標識和標誌，這就要求消費者僅憑含糊不清或模棱兩可的描述，對特定電纜或轉接器對其設備的適用性進行評估。
UL 9990 解決設計、安全和性能的關鍵問題
為了解決被用於低功率電子設備供電的 ICT 電纜的潛在安全問題，UL 發展了 UL 9990 標準，透過對連接器、電纜材料和電氣設計的控制，為 USB 性能規範提供了補充，成為評估 USB 電纜的性能和安全特性的基礎。UL 9990 規範了，包括：
- 結構 ─ 電纜及具有的任何裝飾性覆蓋物均要求具有至少 VW-1 的阻燃等級，或通過等效的燃燒測試，以在電源或用電設備中起火時限制火焰的蔓延。連接器必須採用至少滿足 V-1 阻燃等級，或符合相關小型燃燒試驗的材料製造。另外，額定值必須符合電纜或電纜組件相關規範中詳細列出的最大適用限值，並且電纜中的電子標誌必須與額定值和相關 USB 供電技術相符。
- 安全性能 ─ 根據 UL 9990，電纜組件需進行以下一系列測試：
• 線扣拉力測試：用於驗證電纜組件、元件和配線在張力下能否保持完好。
• 撓曲測試：電纜組件需接受指定次數的撓曲循環。導線或絕緣材料在撓曲下破損會導致測試失敗。
• 溫升測試： 在運行條件下，電纜溫度不能超過環境溫度 30度C (54度F)。
• 介電耐壓測試：電纜組件必須進行 500V 直流電充電一分鐘，並且不得出現電弧放電或故障。
• 故障電流測試 ：使用一塊粗棉布覆蓋電纜組件，並接通 8 安培直流測試電流 (功率受限電路的上限) 最少 30 分鐘的持續時間。被測電纜組件不得點燃，或噴出火焰或熔融金屬，而且所被覆的粗棉布不得燒焦。 - 製造和生產 ─ 在電纜組件的實際製造和生產過程中，必須對每個單元進行測試，以確保整條導體/端子組件具有正確的電氣連續性。
- 標誌 ─ UL 9990 包含詳細具體的產品包裝標誌要求，列出了電纜長度和測試的最大電壓和電流額定值，旨在幫助識別生產電纜或電纜組件的製造商和特定工廠的其他資訊。
值得注意的是，根據 UL 9990 規範進行評估的電纜組件範圍，僅限於每端具有不多於一個連接器的電纜組件。這是因爲，具有多個連接器的電纜組件會以供電電壓對端口帶來反向供電的風險。另外，所謂的「作弊」電纜，即設計用於將連接的設備置於意外操作模式、或者禁用或妨礙預期系統操作的電纜，也被排除在 UL 9990 的範圍之外。最後，該規範不對被測電纜或電纜組件的信號傳輸性能進行評估。
另外，除了必須符合 UL 9990 的要求，評估 ICT 電源線的設計和安全。UL 亦會對工廠生產設備及在公開市場上購買的產品進行認證後檢查和檢測，以確保持續符合相關安全要求。
技術推動發展 安全仍需兼顧
USB 技術的進步也讓 ICT 產品和設備能不斷創新。但同時，價格低廉或設計不當的電力和充電電纜和連接器，對消費者構成了潛在的安全風險，甚至導致一些連接的 ICT 設備受到損壞或破壞。但唯有兼顧安全與性能，才能有利產業的發展。