USBPowerDelivery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USBPowerDelivery快速充電規(guī)范(通過(guò)VBUS直流電平上耦合FSK信號(hào)來(lái)請(qǐng)求充電器調(diào)整輸出電壓和電流的過(guò)程)，不同于本人發(fā)布的另一篇文章所講的高通QuickCharger2.0規(guī)范，由于高通QC2.0是運(yùn)用D+和D-上的不同的直流電壓來(lái)請(qǐng)求充電器動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓和電流實(shí)現(xiàn)快速充電的過(guò)程。

USBPD的通信是將協(xié)議層的消息調(diào)制成24MHZ的FSK信號(hào)并耦合到VBUS上或者從VBUS上獲得FSK信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)和充電器通信的過(guò)程。

如圖所示，在USBPD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)PowerSupply或者USBHost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)。

USBPD的原理，以手機(jī)和充電器都支持USBPD為例講解如下：

1)USBOTG的PHY監(jiān)控VBUS電壓，假如有VBUS的5V電壓存在并且檢測(cè)到OTGID腳是1K下拉電阻(不是OTGHost模式，OTGHost模式的ID電阻是小于1K的)，就說(shuō)明該電纜是支持USBPD的；

2)USBOTG做正常BCSV1.2規(guī)范的充電器探測(cè)并且啟動(dòng)USBPD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(hào)，并且解碼消息得出是CapabilitiesSource消息，就根據(jù)USBPD規(guī)范解析該消息得出USBPD充電器所支持的所有電壓和電流列表對(duì)；

3)手機(jī)根據(jù)用戶的配置從CapabilitiesSource消息中選擇一個(gè)電壓和電流對(duì)，并將電壓和電流對(duì)加在Request消息的payload上，然后策略管理器將FSK信號(hào)耦合到VBUS直流電平上；

4)充電器解碼FSK信號(hào)并發(fā)出Accept消息給手機(jī)，同時(shí)調(diào)整PowerSupply的直流電壓和電流輸出；

5)手機(jī)收到Accept消息，調(diào)整ChargerIC的充電電壓和電流；

6)手機(jī)在充電過(guò)程中可以動(dòng)態(tài)發(fā)送Request消息來(lái)請(qǐng)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(guò)程。

目前2023年有好幾家芯片廠商做出了USBPD芯片，下舉例：

uPD720250瑞薩

UPD100Xmicrochip隨著一加手機(jī)、ZUK手機(jī)以及米5對(duì)USBTYPE-C的支持，越來(lái)越多人關(guān)注這個(gè)新的接口。其中USBPD2.0是TYPE-C接口的重點(diǎn)內(nèi)容。本文通過(guò)對(duì)MACBOOK以及GOOGLEPixel的實(shí)測(cè)，讓大家更好的了解，USBTYPE-C的電能傳輸是如何進(jìn)行的。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，USBPD2.0將帶來(lái)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(huì)資源，減少環(huán)境污染。幾年前，對(duì)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，這些適配器導(dǎo)致了家居環(huán)境的混亂以及使用的不便。第二，偶爾某個(gè)設(shè)備的適配器損壞后，你會(huì)發(fā)現(xiàn)很難買(mǎi)到合適的替代品。第三，這些適配器，將導(dǎo)致無(wú)數(shù)的電子垃圾，涉及塑料，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(gè)不適合那個(gè)。于是，某天，另一半對(duì)我說(shuō)，你把這些適配器所有統(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(jué)得這個(gè)想法非常有價(jià)值，就撰寫(xiě)了申請(qǐng)?zhí)枮椋?X的專利，并提交專利局審查。時(shí)間過(guò)的不久，2023年，我第一次閱讀TYPE-C及USBPD2.0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USBPD2.0的推出，將會(huì)從主線上解決我們生活中，涉及到電子產(chǎn)品供電的混亂局面。它是怎么做到的呢？讓我們來(lái)看看：第一步，適配器在連接建立后，會(huì)通過(guò)CC線進(jìn)行廣播，告訴連接的此外一方，適配器可以提供多少種電壓以及相應(yīng)的電流。圖1MacBook原裝適配器的PD通信波形圖2Google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(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。圖3MacBook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(píng)估自身的能力之后，發(fā)送“接受”命令。圖4適配器發(fā)送的ACCEPTPD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)包第五步，適配器向VBUS施加協(xié)商后的新的供電電壓。假如僅僅是一個(gè)進(jìn)行供電管理。那么PD通信到此就已經(jīng)完畢了電壓切換的任務(wù)。但是假如供電方不僅僅是一個(gè)適配器，而是一個(gè)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)成系統(tǒng)預(yù)設(shè)的其他功能。其中，涉及了數(shù)據(jù)傳輸角色的轉(zhuǎn)換、VDM通信、DP信號(hào)配置等。圖6

蘋(píng)果原裝USBDOCK發(fā)送的DR_SWAP數(shù)據(jù)包圖7

蘋(píng)果原裝USBDOCK發(fā)送的DPConfigure數(shù)據(jù)包圖8

蘋(píng)果原裝USBDOCK發(fā)送的EnterMode數(shù)據(jù)包讓MacBook輸出DP信號(hào)圖8

蘋(píng)果原裝USBDOCK發(fā)送的unstructVDM數(shù)據(jù)包屬于私有通信以上波形都來(lái)自對(duì)實(shí)際PD通信過(guò)程的監(jiān)控，采用了樂(lè)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(duì)DOCK與MacBook的通信過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控圖10

LDRPD01分析儀對(duì)GOOGLEChromebook充電過(guò)程的PD通信進(jìn)行監(jiān)控此監(jiān)控系統(tǒng)可認(rèn)為USBPD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(guò)程的錯(cuò)誤信息。如有需要，歡迎加微信。與QC2.0的區(qū)別：一方面從名字上就看一窺端倪，PD是PowerDelivery，關(guān)注的是兩個(gè)或者多個(gè)設(shè)備，甚至是一個(gè)基于USB接口的智能電網(wǎng)的電能傳輸過(guò)程，電能傳輸可以是雙方向的，甚至是組網(wǎng)的，可以具有系統(tǒng)級(jí)供電策略。而QC是QuickCharge僅僅關(guān)注的是快速充電問(wèn)題，電能傳輸是單方向的，不具有電能組網(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(gè)充電設(shè)備和一個(gè)被充電設(shè)備USBPD解決的是一個(gè)電能傳輸網(wǎng)絡(luò)的平衡問(wèn)題綜上分析我們可以看出，USBPD不僅為消費(fèi)類電子帶來(lái)了形式多樣接口應(yīng)用，還承載著未來(lái)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，將可以比較好的解決目前供電方式混亂，各種適配器及連接線嚴(yán)重