USB-PD协议解说

USB Power Delivery快速充电通信原理本篇文章讲的快速充电是指USB论坛所发布的USB Power Delivery快速充电规范(通过VBUS直流电平上耦合FSK信号来请求充电器调整输出电压和电流的过程)，不同于本人发布的另一篇文章所讲的高通Quick Charger 2.0规范，因为高通QC2.0是利用D+和D-上的不同的直流电压来请求充电器动态调整输出电压和电流实现快速充电的过程。 USB PD的通信是将协议层的消息调制成24MHZ的FSK信号并耦合到VBUS上或者从VBUS上获得FSK信号来实现手机和充电器通信的过程。 如图所示，在USB PD通信中，是将24MHz的FSK通过cAC-Coupling耦合电容耦合到VBUS上的直流电平上的，而为了使24MHz的FSK不对Power Supply或者USB Host的VBUS直流电压产生影响，在回路中同时添加了zIsolation电感组成的低通滤波器过滤掉FSK信号。 USB PD的原理，以手机和充电器都支持USB PD为例讲解如下： 1) USB OTG的PHY监控VBUS电压，如果有VBUS的5V电压存在并且检测到OTG ID脚是1K下拉电阻(不是OTG Host模式，OTG Host模式的ID电阻是小于1K的)，就说明该电缆是支持USB PD的； 2)USB OTG做正常BCS V1.2规范的充电器探测并且启动USB PD 设备策略管理器，策略管理器监控VBUS的直流电平上是否耦合了FSK信号，并且解码消息得出是CapabilitiesSource 消息，就根据USB PD规范解析该消息得出USB PD充电器所支持的所有电压和电流列表对；3) 手机根据用户的配置从CapabilitiesSource消息中选择一个电压和电流对，并将电压和电流对加在Request消息的payload上，然后策略管理器将FSK信号耦合到VBUS直流电平上； 4) 充电器解码FSK信号并发出Accept消息给手机，同时调整Power Supply的直流电压和电流输出； 5) 手机收到Accept消息，调整Charger IC的充电电压和电流； 6) 手机在充电过程中可以动态发送Request消息来请求充电器改变输出电压和电流，从而实现快速充电的过程。 目前2014年有好几家芯片厂商做出了USB PD芯片，下举例： uPD720250 瑞萨 UPD100X microchipUSB PD2.0 - MacBook及Chromebook Pixel TYPE-C接口实测随着一加手机、ZUK手机以及米5对USB TYPE-C的支持，越来越多人关注这个新的接口。其中USB PD2.0是TYPE-C接口的重点内容。本文通过对MACBOOK以及GOOGLE Pixel的实测，让大家更好的了解，USB TYPE-C的电能传输是如何进行的。长远来看，USB PD2.0将带来消费类电子及家用电器的供电革命，解决当前适配器及传输线规格各异的局面，节约社会资源，降低环境污染。几年前，对着家里桌面上一堆规格各异的适配器，我有点抓狂。第一，这些适配器造成了家居环境的混乱以及使用的不便。第二，偶尔某个设备的适配器损坏后，你会发现很难买到合适的替代品。第三，这些适配器，将造成无数的电子垃圾，包括塑料，重金属污染等。作为家里唯一懂电气的人，我还得承受使用不便所产生的各种抱怨，并费劲的解释为什么这个不适合那个。于是，某天，另一半对我说，你把这些适配器全部统一成多功能的吧，让用电器去告诉适配器该输出什么就行了。我觉得这个想法非常有价值，就撰写了申请号为：201210007717.X的专利，并提交专利局审查。时间过的很快，2014年，我第一次阅读TYPE-C 及USB PD2.0的规范。我几乎是在瞬间就明白了它们所承载的使命。TYPE-C与USB PD2.0的推出，将会从根本上解决我们生活中，涉及到电子产品供电的混乱局面。它是怎么做到的呢？ 让我们来看看：第一步，适配器在连接建立后，会通过CC线进行广播，告诉连接的另外一方，适配器能够提供多少种电压以及对应的电流。图1 MacBook 原装适配器的PD通信波形图2 Google 原装适配器的PD通信波形第二步，用电器在获悉适配器的供电能力之后，从中选择一个最适合自己的供电方式，并向适配器发送请求数据包。图3 MacBook发送的Request数据包第三步，适配器根据用电器的选择，评估自身的能力之后，发送“接受”命令。图4 适配器发送的ACCEPT PD通信数据包第四步，适配器进行内部电压变换，并向用电器发送“电源准备好”数据包。图5 适配器发送的电源切换完毕 PD通信数据包第五步，适配器向VBUS施加协商后的新的供电电压。如果仅仅是一个进行供电管理。那么PD通信到此就已经完成了电压切换的任务。但是如果供电方不仅仅是一个适配器，而是一个HUB，甚至是支持HDMI输出的HUB，那么，PD将还需要进行更多的协商，以达到系统预设的其他功能。其中，包括了数据传输角色的转换、VDM通信、DP信号配置等。图6 苹果原装USB DOCK发送的DR_SWAP数据包图7 苹果原装USB DOCK发送的DP Configure数据包图8 苹果原装USB DOCK发送的Enter Mode数据包让MacBook输出DP信号图8 苹果原装USB DOCK发送的unstruct VDM数据包属于私有通信以上波形都来自对实际PD通信过程的监控，采用了乐得瑞在业界率先量产的PD逻辑分析仪LDRPD01。图9 LDRPD01分析仪对DOCK与MacBook的通信过程进行监控图10 LDRPD01分析仪对GOOGLE Chromebook 充电过程的PD通信进行监控此监控系统可以为USB PD相关产品的从业人员提供非常有价值的参考，准确掌握PD通信过程的错误信息。如有需要，欢迎加微与QC2.0的区别：首先从名字上就看一窥端倪，PD是Power Delivery，关注的是两个或者多个设备，甚至是一个基于USB接口的智能电网的电能传输过程，电能传输可以是双方向的，甚至是组网的，可以具备系统级供电策略。而QC是Quick Charge仅仅关注的是快速充电问题，电能传输是单方向的，不具备电能组网能力，不支持除了供电以外的其他功能。QC2.0 关注的是一个充电设备和一个被充电设备USB PD 解决的是一个电能传输网络的平衡问题综上分析我们可以看出，USB PD不仅为消费类电子带来了形式多样接口应用，还承载着未来消费类电子以及部分家用电器的供电管理智能化的使命，将能够比较好的解决目前供电方式混乱，各种适配器及连接线严重浪费社会资源，污染自然环境的情况。深圳市乐得瑞科技有限公司，致力于USB TYPE-C接口及USB PD2.0相关应用技术的开