對于USB PD快充的解讀和應用

1什么是USB PD快充

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

圖注：USB PD快充應用

2USB PD的前世今生

USB口充電由來已久。在早期的USB充電中，由于缺乏標準的規格，通用性是早期USB充電的主要問題。鑒于此，USB-IF組織發布了電池充電規范，即BC1.1標準，后來升級到廣泛應用的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充電規范只能進行單向功率傳輸，在有些應用場合，還需要數據傳輸和功率傳輸能夠同時進行，這樣USB PD就應運而生。

USB PD發展經歷了PD1.0，PD2.0，到目前最新的PD3.0。

圖注： USB PD 不同功率等級

PD1.0

PD1.0把傳輸功率從之前的7.5W提高到了最大100W，輸出電壓最高達到20V，最大電流達到5A。當一個用電設備連接到主機的USB口，初始功率為10W (5V / 2A)，在最終的功率規格選定之后，傳輸功率相應的轉換到18W，36W，60W或者100W。

早期的PD協議是在USB Type-A/B接口上進行傳輸的，為了不影響Type-A/B接口中數據線（D+，D-）上的數據傳輸，PD協議利用BUS母線進行PD協議的傳輸。如下圖，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直流電壓產生影響，在回路中同時添加了zIsolation電感組成的低通濾波器過濾掉FSK信號。

圖注：VBUS母線上的耦合電路

然而，由于PD信號與電源以及USB數據之間的信號完整性等問題，這次嘗試并不盡如人意。而且根據USB-IF的規范，只有當線纜一端是Type-A口，另一端是Type-B口的時候，才允許功率傳輸，這樣不但限制了功率的雙向傳輸，而且實現功率雙向傳輸也變得非常復雜。

USB PD2.0

隨著Type-C接口規范的發布，USB-IF將USB PD升級到了2.0版本。BUS電壓根據需求在5V，9V，15V和20V之間切換。

Type-C是一種接口規范，默認最大支持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USB PD協議，同時支持DRP (dual role port) type C接口，可以在電源和負載之間進行角色轉換，進而支持功率雙向傳輸。USB PD2.0借助Type-C接口進行功率傳輸，有效的解決了上述問題。

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電流的場合，須使用帶有E-Mark認證的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

基于Type-C接口的USB PD充電的建立過程可以分為以下幾步：

第一步

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

第二步

用電設備在獲悉適配器的供電能力之后，選擇一個最適合自己的供電方式，并向適配器發送請求數據包。

第三步

適配器根據用電設備的選擇，評估自身的能力之后，發送“接受”命令。

第四步

適配器進行內部電壓變換，并向用電設備發送“電源準備好”數據包。

第五步

適配器輸出協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的基礎上，PD3.0增加了PPS（programmable power supply）功能，BUS電壓能夠以20mV/step進行調整，電流限值能夠以50mA/step進行調整。電壓電流細分調整可以優化電力傳輸策略，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：

兼容目前的USB2.0和USB3.0等的接口及線纜

源和負載之間協商供電電壓與電流，優化供電策略

最大功率可達100W

功率可以雙向流動

與BC1.2共存