1、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
2、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
3、 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
4、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 microchip USB PD2.0 - MacBook 及 Chromebook Pixel TYPE-C接口实测随着一加手机、 ZUK手机以
5、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
6、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：
7、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
8、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 U
9、SB 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，欢迎加微信 13510191269。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
10、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 相关应用技术的开发，已经推出支持 TYPE-C接口芯片的 LDR6013，以及支持 USB PD 2.0的芯片 LDR6021等， 积极配合 USB-IF组织共同推进这一有利于人类社会的重大改革。
