對(duì)于USB PD快充的解讀和應(yīng)用

1什么是USB PD快充

USB Power Delivery（USB PD） 是目前主流的快充協(xié)議之一。是由USB-IF組織制定的一種快速充電規(guī)范。該規(guī)范可實(shí)現(xiàn)更高的電壓和電流，輸送的功率最高可達(dá)100瓦，并可以自由的改變電力的輸送方向。

圖注：USB PD快充應(yīng)用

2USB PD的前世今生

USB口充電由來(lái)已久。在早期的USB充電中，由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，通用性是早期USB充電的主要問(wèn)題。鑒于此，USB-IF組織發(fā)布了電池充電規(guī)范，即BC1.1標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)升級(jí)到廣泛應(yīng)用的BC1.2，以及最新的BC1.3。在BC1.1中，USB可以輸出2.5W的功率（5V / 500mA），到BC1.2中，USB充電功率可到7.5W （5V / 1.5A)，而且定義了不同的電源類型，如SDP， CDP以及DCP。但是隨著智能手機(jī)功能的增多，7.5W的充電功率也不能滿足人們的需求，而且BC1.2充電規(guī)范只能進(jìn)行單向功率傳輸，在有些應(yīng)用場(chǎng)合，還需要數(shù)據(jù)傳輸和功率傳輸能夠同時(shí)進(jìn)行，這樣USB PD就應(yīng)運(yùn)而生。

USB PD發(fā)展經(jīng)歷了PD1.0，PD2.0，到目前最新的PD3.0。

圖注： USB PD 不同功率等級(jí)

PD1.0

PD1.0把傳輸功率從之前的7.5W提高到了最大100W，輸出電壓最高達(dá)到20V，最大電流達(dá)到5A。當(dāng)一個(gè)用電設(shè)備連接到主機(jī)的USB口，初始功率為10W (5V / 2A)，在最終的功率規(guī)格選定之后，傳輸功率相應(yīng)的轉(zhuǎn)換到18W，36W，60W或者100W。

早期的PD協(xié)議是在USB Type-A/B接口上進(jìn)行傳輸?shù)?，為了不影響Type-A/B接口中數(shù)據(jù)線（D+，D-）上的數(shù)據(jù)傳輸，PD協(xié)議利用BUS母線進(jìn)行PD協(xié)議的傳輸。如下圖，在USB PD通信中，是將24MHz的FSK通過(guò)cAC-Coupling耦合電容耦合到VBUS上的直流電平上的，而為了使24MHz的FSK不對(duì)Power Supply或者USB Host的VBUS直流電壓產(chǎn)生影響，在回路中同時(shí)添加了zIsolation電感組成的低通濾波器過(guò)濾掉FSK信號(hào)。

圖注：VBUS母線上的耦合電路

然而，由于PD信號(hào)與電源以及USB數(shù)據(jù)之間的信號(hào)完整性等問(wèn)題，這次嘗試并不盡如人意。而且根據(jù)USB-IF的規(guī)范，只有當(dāng)線纜一端是Type-A口，另一端是Type-B口的時(shí)候，才允許功率傳輸，這樣不但限制了功率的雙向傳輸，而且實(shí)現(xiàn)功率雙向傳輸也變得非常復(fù)雜。

USB PD2.0

隨著Type-C接口規(guī)范的發(fā)布，USB-IF將USB PD升級(jí)到了2.0版本。BUS電壓根據(jù)需求在5V，9V，15V和20V之間切換。

Type-C是一種接口規(guī)范，默認(rèn)最大支持5V/3A。Type-C接口帶有專用的通信線，即CC(channel configure)線。CC線可以傳輸U(kuò)SB PD協(xié)議，同時(shí)支持DRP (dual role port) type C接口，可以在電源和負(fù)載之間進(jìn)行角色轉(zhuǎn)換，進(jìn)而支持功率雙向傳輸。USB PD2.0借助Type-C接口進(jìn)行功率傳輸，有效的解決了上述問(wèn)題。

圖注： Type C接口定義

普通Type-C線纜可以支持3A電流，在需要5A電流的場(chǎng)合，須使用帶有E-Mark認(rèn)證的Type-C線纜，否則電流被限制在3A，這樣提高了充電的安全性。

圖注：USB PD2.0電壓電流等級(jí)

基于Type-C接口的USB PD充電的建立過(guò)程可以分為以下幾步：

第一步

適配器與用電設(shè)備（如手機(jī)）建立連接之后，適配器通過(guò)CC線進(jìn)行廣播，告訴用電設(shè)備，適配器能夠提供多少種電壓及相應(yīng)的電流。

第二步

用電設(shè)備在獲悉適配器的供電能力之后，選擇一個(gè)最適合自己的供電方式，并向適配器發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。

第三步

適配器根據(jù)用電設(shè)備的選擇，評(píng)估自身的能力之后，發(fā)送“接受”命令。

第四步

適配器進(jìn)行內(nèi)部電壓變換，并向用電設(shè)備發(fā)送“電源準(zhǔn)備好”數(shù)據(jù)包。

第五步

適配器輸出協(xié)商后的新的供電電壓。

USB PD3.0

是目前USB PD的最新版本。在PD2.0的基礎(chǔ)上，PD3.0增加了PPS（programmable power supply）功能，BUS電壓能夠以20mV/step進(jìn)行調(diào)整，電流限值能夠以50mA/step進(jìn)行調(diào)整。電壓電流細(xì)分調(diào)整可以優(yōu)化電力傳輸策略，讓power變得更加智能化。

圖注：PD3.0的PPS（programmable power supply）功能

USB PD充電的特點(diǎn)：

兼容目前的USB2.0和USB3.0等的接口及線纜

源和負(fù)載之間協(xié)商供電電壓與電流，優(yōu)化供電策略

最大功率可達(dá)100W

功率可以雙向流動(dòng)

與BC1.2共存