USB-PD協(xié)議解說

1、USB Power Delivery快速充電通信原理 本篇文章講的快速充電是指USB論壇所發(fā)布的USB Power Delivery快速充電規(guī)范(通過VBUS直流電平上耦合FSK信號來請求充電器調(diào)整輸出電壓和電流的過程)，不同于本人發(fā)布的另一篇文章所講的高通Quick Charger 2.0規(guī)范，因?yàn)楦咄≦C2.0是利用D+和D-上的不同的直流電壓來請求充電器動態(tài)調(diào)整輸出電壓和電流實(shí)現(xiàn)快速充電的過程。                USB PD的通信是將協(xié)議層的消息

2、調(diào)制成24MHZ的FSK信號并耦合到VBUS上或者從VBUS上獲得FSK信號來實(shí)現(xiàn)手機(jī)和充電器通信的過程。        如圖所示，在USB PD通信中，是將24MHz的FSK通過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濾掉FSK信號。              

3、USB PD的原理，以手機(jī)和充電器都支持USB PD為例講解如下：      1) USB OTG的PHY監(jiān)控VBUS電壓，如果有VBUS的5V電壓存在并且檢測到OTG ID腳是1K下拉電阻(不是OTG Host模式，OTG Host模式的ID電阻是小于1K的)，就說明該電纜是支持USB PD的；      2)USB OTG做正常BCS V1.2規(guī)范的充電器探測并且啟動USB PD 設(shè)備策略管理器，策略管理器監(jiān)控VBUS的直流電平上是否耦合了FSK信號，并且解碼消息得出是Capabilitie

4、sSource 消息，就根據(jù)USB PD規(guī)范解析該消息得出USB PD充電器所支持的所有電壓和電流列表對；      3) 手機(jī)根據(jù)用戶的配置從CapabilitiesSource消息中選擇一個電壓和電流對，并將電壓和電流對加在Request消息的payload上，然后策略管理器將FSK信號耦合到VBUS直流電平上；      4) 充電器解碼FSK信號并發(fā)出Accept消息給手機(jī)，同時(shí)調(diào)整Power Supply的直流電壓和電流輸出；    &

5、#160; 5) 手機(jī)收到Accept消息，調(diào)整Charger IC的充電電壓和電流；      6) 手機(jī)在充電過程中可以動態(tài)發(fā)送Request消息來請求充電器改變輸出電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)快速充電的過程。        目前2014年有好幾家芯片廠商做出了USB PD芯片，下舉例：       uPD720250 瑞薩       UPD100X microchipUSB PD2.0 - MacBook及Chrom

6、ebook Pixel TYPE-C接口實(shí)測隨著一加手機(jī)、ZUK手機(jī)以及米5對USB TYPE-C的支持，越來越多人關(guān)注這個新的接口。其中USB PD2.0是TYPE-C接口的重點(diǎn)內(nèi)容。本文通過對MACBOOK以及GOOGLE Pixel的實(shí)測，讓大家更好的了解，USB TYPE-C的電能傳輸是如何進(jìn)行的。長遠(yuǎn)來看，USB PD2.0將帶來消費(fèi)類電子及家用電器的供電革命，解決當(dāng)前適配器及傳輸線規(guī)格各異的局面，節(jié)約社會資源，降低環(huán)境污染。幾年前，對著家里桌面上一堆規(guī)格各異的適配器，我有點(diǎn)抓狂。第一，這些適配器造成了家居環(huán)境的混亂以及使用的不便。第二，偶爾某個設(shè)備的適配器損壞后，你會發(fā)現(xiàn)很難買到合

7、適的替代品。第三，這些適配器，將造成無數(shù)的電子垃圾，包括塑料，重金屬污染等。作為家里唯一懂電氣的人，我還得承受使用不便所產(chǎn)生的各種抱怨，并費(fèi)勁的解釋為什么這個不適合那個。于是，某天，另一半對我說，你把這些適配器全部統(tǒng)一成多功能的吧，讓用電器去告訴適配器該輸出什么就行了。我覺得這個想法非常有價(jià)值，就撰寫了申請?zhí)枮椋?01210007717.X的專利，并提交專利局審查。時(shí)間過的很快，2014年，我第一次閱讀TYPE-C 及USB PD2.0的規(guī)范。我?guī)缀跏窃谒查g就明白了它們所承載的使命。TYPE-C與USB PD2.0的推出，將會從根本上解決我們生活中，涉及到電子產(chǎn)品供電的混亂局面。它是怎么做到的

8、呢？ 讓我們來看看：第一步，適配器在連接建立后，會通過CC線進(jìn)行廣播，告訴連接的另外一方，適配器能夠提供多少種電壓以及對應(yīng)的電流。圖1 MacBook 原裝適配器的PD通信波形圖2 Google 原裝適配器的PD通信波形第二步，用電器在獲悉適配器的供電能力之后，從中選擇一個最適合自己的供電方式，并向適配器發(fā)送請求數(shù)據(jù)包。圖3 MacBook發(fā)送的Request數(shù)據(jù)包第三步，適配器根據(jù)用電器的選擇，評估自身的能力之后，發(fā)送“接受”命令。圖4 適配器發(fā)送的ACCEPT PD通信數(shù)據(jù)包第四步，適配器進(jìn)行內(nèi)部電壓變換，并向用電器發(fā)送“電源準(zhǔn)備好”數(shù)據(jù)包。圖5 適配器發(fā)送的電源切換完畢 PD通信數(shù)據(jù)包第

9、五步，適配器向VBUS施加協(xié)商后的新的供電電壓。如果僅僅是一個進(jìn)行供電管理。那么PD通信到此就已經(jīng)完成了電壓切換的任務(wù)。但是如果供電方不僅僅是一個適配器，而是一個HUB，甚至是支持HDMI輸出的HUB，那么，PD將還需要進(jìn)行更多的協(xié)商，以達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的其他功能。其中，包括了數(shù)據(jù)傳輸角色的轉(zhuǎn)換、VDM通信、DP信號配置等。圖6  蘋果原裝USB DOCK發(fā)送的DR_SWAP數(shù)據(jù)包圖7  蘋果原裝USB DOCK發(fā)送的DP Configure數(shù)據(jù)包圖8  蘋果原裝USB DOCK發(fā)送的Enter Mode數(shù)據(jù)包讓MacBook輸出DP信號圖8  蘋果原裝US

10、B DOCK發(fā)送的unstruct VDM數(shù)據(jù)包屬于私有通信以上波形都來自對實(shí)際PD通信過程的監(jiān)控，采用了樂得瑞在業(yè)界率先量產(chǎn)的PD邏輯分析儀LDRPD01。圖9  LDRPD01分析儀對DOCK與MacBook的通信過程進(jìn)行監(jiān)控圖10  LDRPD01分析儀對GOOGLE Chromebook 充電過程的PD通信進(jìn)行監(jiān)控此監(jiān)控系統(tǒng)可以為USB PD相關(guān)產(chǎn)品的從業(yè)人員提供非常有價(jià)值的參考，準(zhǔn)確掌握PD通信過程的錯誤信息。如有需要，歡迎加微與QC2.0的區(qū)別：首先從名字上就看一窺端倪，PD是Power Delivery，關(guān)注的是兩個或者多個設(shè)備，甚至是一個基于USB接口的智能電網(wǎng)的電能傳輸過程，電能傳輸可以是雙方向的，甚至是組網(wǎng)的，可以具備系統(tǒng)級供電策略。而QC是Quick Charge僅僅關(guān)注的是快速充電問題，電能傳輸是單方向的，不具備電能組網(wǎng)能力，不支持除了供電以外的其他功能。QC2.0 關(guān)注的是一個充電設(shè)備和一個被充電設(shè)備USB PD 解決的是一個電能傳輸網(wǎng)絡(luò)的平衡問題綜上分析我們可以看出，USB PD不僅為消費(fèi)類電子帶來了形式多樣接口應(yīng)用，還承載著未來消費(fèi)類電子以及部分家用電器的供電管理智能化的使命，將能夠比較好