201910093.史上最全的USB-PD充电协议，包含PD协议波形
图
USB-PD（Power Delivery）是基于USB Type-C的⼀种电源供电标准，最⼤供电功率可达100⽡（W）；随着USB Type-C的普及，越来越多的设备（⼿机、平板、显⽰器、⼯作站、充电器等）使⽤USB-PD快速充电⽅案。 1、USB Type-C简介
Type-C是USB接⼝的⼀种形式，不分正反两⾯均可插⼊，⽀持USB标准的充电、数据传输、视频传输、⾳频传输、显⽰输出等功能。⽀持USB-PD后则可实现⾼达100W的电源供电。本⽂重点描述的USB-PD就是通过Type-C的“配置通道引脚CC”（图 1）进⾏通讯的。
Type-C 接⼝及插座引脚功能定义
USB Type-C标准相对于旧标准的另⼀不同点是它引⼊了双⾓⾊能⼒。每根USB Type-C电缆的两端都是完全等同的，这就意味着连接起来的两台设备必须相互进⾏沟通以确定⾃⼰应作为主机还是外设⽽存在。⾓⾊的沟通需针对数据和电源分别进⾏，此⼯作在电缆接通之后就要进⾏。⽤于数据通讯的主机端⼝被称为下⾏端⼝ (Downstream Facing Port, DFP)，外设端⼝被称为上⾏端⼝ (Upstream Facin g Port, UFP)。⽽电源⽅⾯，供电端被称为源端 (Source)，耗电端被称为吸端 (Sink)。有的设备既可以有数据上的双⾓⾊ (Dual Roles of Data, DRD) 能⼒，⼜具有电源上的双⾓⾊ (Dual Roles of Power, DRP) 能⼒。CC线在两台设备连接期间能起到定义电源⾓⾊的作⽤。 USB Type-C系统带来的另⼀个好处是较⾼的供电能⼒。传统的USB电缆只容许提供2.5W功率，USB Type-C电缆则容许提供⾼达
5V/3A即15W的最⼤功率，如果采⽤了电源传输 (Power Deliver, PD) 协议，电压电流指标就可以提升到20V/5A即100W的最⼤功率，这就容许通过USB端⼝为⼤型设备如监视器等设备供电，也容许对含有⼤型电池包的笔记本电脑等设备进⾏充电。新的USB PD 3.0协议还⽀持可编程电源 (Programmable Power Supply, PPS) 协议，容许对总线电压和电流进⾏精确调节，⽽电压则可以低于5V。利⽤这样的协议，使⽤可调的总线电压对电池进⾏直接充电的⾼效直充系统就成为可能，这时的总线电压可以低达3V。标准的Type-C电缆额定的负载能⼒是3A，当更⾼的电流出现时，含有电⼦标签的电缆就必须被使⽤了，其中的电⼦标签可经CC线对电缆的能⼒进⾏标识。电⼦标签需要的电源供应是5V的，可⽤CC线经由电缆的VCONN向其提供。 经由TX/RX线对提供的10Gbps⾼速通讯能⼒使得原来须由专⽤电缆提供的通讯如HDMI / DisplayPort/Thunderbolt等经由USB电缆进⾏传输成为了可能，4k的⾼清视频信号传输也完全没有问
题。使⾼清HDMI信号经由USB Type-C电缆传输的应⽤需要将电缆的数据线进⾏特殊的配置，这被称为替换模式 (Alternate Mode)。
2、USB Type-C标准进⾏数据和电源配置的⽅法
未扭转、未翻转的直接连接
显⽰的是电缆未扭转、插座未翻转时的连接状态。从左侧的插座到右侧的插座，RX1线对连接到TX1线对，RX2线对连接到TX2线对；D+与D+连接，D-与D-连接，SBU1与SBU2连接，CC1经由CC线与CC1连接。
USB 3.1仅需使⽤两对数据线，在此案中，⾼速数据经由RX1+/-和TX1+/-从⼀端传递到另⼀端。
电缆两端的VCONN是不需要连通的。为电缆中电⼦标签IC供电的VCONN来⾃电缆的⼀端，它在电⼦标签芯⽚被确定存在于电缆中即被提供。
电缆扭转以后的连接
在这种情形下，从左侧的插座到右侧的插座，RX1线对连接到TX2线对，RX2线对连接到TX1线对，D+仍然连接到D+，D-仍然连接到D-，SBU1连接到SBU1，SBU2连接到SBU2，CC1经由CC线连接到CC2。现在，⾼速数据经由左侧的RX1+/-和TX1+/-到右侧的RX2+/-和TX2+/-进⾏传输。
总共有4种可能的连接⽅式：插座翻转或不翻转，电缆扭转或不扭转。
在USB 3.1的系统中，RX/TX数据线需要使⽤多路复⽤器针对各种可能的电缆连接状态对RX/TX线的连接状态进⾏配置，使得正确的通讯连接能够形成，下图显⽰了USB Type-C端⼝之间数据线的路由可能性。通过测量每个端⼦上CC1/2的状态即可了解电缆和插座的⽅向，CC逻辑控制器可据此完成多路复⽤器的路由配置，此⼯作既可在多路复⽤器中完成，也可能在USB芯⽚组中进⾏。
3、电源传输
在不采⽤电源传输协议的USB Type-C接⼝中，电源从源端传输到吸端的⽅法如下图所⽰。
USB Type-C的源端总是包含有⼀个⽤于接通/关断VBUS的MOSFET开关，它也可能具有VBUS电流的检测能⼒，其主要作⽤是对过流状况进⾏检测，另外还会含有VBUS的放电电路。CC1和CC2的检测电路在源端和吸端都会存在。
CC (Channel Configuration) 线的作⽤是对两个连接在⼀起的设备进⾏电源供应的配置。初始情况下，USB Type-C接⼝的VBUS 上是没有电源供应的，系统需要在电缆连接期间进⾏设备⾓⾊的定义，插座上的CC线被上拉⾄⾼电平的设备将被定义为电源供应者即源端，⽽被下拉⾄低电平的设备将被定义为
电源消费者即吸端。
总线上的音频设备
上图显⽰出了确定电源供求⾓⾊、电缆⽅向和电流供应能⼒的⽅法。源端的CC1和CC2通过电阻Rp被拉⾼，被监测着的CC1/CC2在没有连接任何东西时总是处于⾼电平，⼀旦吸端接⼊，CC1或CC2的电压就被电阻Rd拉低了。由于电缆中只有⼀条CC线，因⽽源端可以分辨出是哪个CC端被拉低了。吸端的CC1/CC2的电压也同样被监测着，⼀旦发现某条CC线被拉⾼了，其电压⽔平就让吸端知道源端电流供应能⼒。电路中的上拉电阻Rp也可以⽤电流源代替，这在集成电路中很容易实施，⽽且可以不受V+电源电压误差的影响。
吸端的下拉电阻Rd的定义值是5.1kΩ，因⽽CC线的电压是由源端上拉电阻Rp的值（或电流源的电流值）决定的。已经定义的总线电流能⼒有3档，最低的CC线电压（⼤约0.41V）对应的是默认的USB电源规格（USB 2.0的500mA 或 USB 3.0的900mA），较⾼的CC 线电压（⼤约0.92V）对应的电流能⼒是1.5A。假如CC线电压为⼤约1.68V，对应的最⼤电流供应能⼒为3A。相关数据可参照下图。
下图⽰范了⼀个测量案例，其中的电源供应端（源端）被连接到了电源消费端（吸端），使⽤了普通的USB Type-C电缆。
最初的时候，源端插座上的CC1和CC2都被电阻Rp上拉⾄⾼电平，吸端的CC1和CC2都被下拉电阻Rd下拉⾄低电平。
电缆接通以后，CC1或CC2根据电缆的插⼊⽅向⽽被上拉⾄较⾼电压。本案中的电缆没有处于扭转状态，源端的CC1和吸端的CC1之间被接通，CC1上出现由Rp和Rd分压以后的电压，此电压将由吸端进⾏测量并由此知道源端的电流供应能⼒是多少。
在此案例中，接通以后的CC1的电压⼤约是1.65V，意味着源端最⼤能供应3A电流。
CC线的连接被确定以后，VBUS上的5V电压将被接通。
在不含电源传输协议的系统中，总线上的电流供应能⼒由分压器Rp/Rd确定，但源端只会供应5V电压。
引⼊电源传输 (Power Delivery, PD) 协议以后，USB Type-C系统的总线电压可以增加到最⾼20V，源端和吸端之间关于总线电压和电流的交流通过在CC线上传输串⾏的BMC编码来完成。
包含PD协议的USB Type-C系统从源端到吸端的系统框图如下图所⽰
现在的源端内部包含了⼀个电压转换器，它是受源端PD控制器控制的。根据输⼊电压条件和最⾼总线电压的需求，该电压转换器可以是Buck、Boost、Buck-Boost或反激式转换器。经过CC线进⾏的PD通讯也在PD控制器的管控之下。USB PD系统还需要有⼀个开关可以将Vconn电源切换⾄⼀条CC线上。
当电缆的连接建⽴好以后，PD协议的SOP通讯就开始在CC线上进⾏以选择电源传输的规格：吸端将询问源端能够提供的电源配置参数（不同的总线电压和电流数据）。由于吸端对电源的需求常常是与吸端的系统有关的（例如电池充电器），吸端的嵌⼊式系统控制器就需要先与吸端的PD控制器进⾏通讯以确定相应的规格。
下图⽰范的是吸端的PD控制器申请⼀个较⾼的总线电压的例⼦。
吸端和源端之间在CC线上进⾏的通讯看起来像如下的样⼦：
1. 吸端申请获得源端的能⼒数据。
2. 源端提供它的能⼒数据信息。
3. 吸端从源端提供的能⼒数据信息中选出适当的电源配置参数并发出相应的请求。
4. 源端接受请求并将总线电压修改成相应的参数。在总线电压变化期间，吸端的电流消耗会保持尽可能地⼩。源端提升总线电压的过程是按照定义好的电压提升速度来进⾏的。
5. 总线电压达到最后的数值以后，源端会等待总线电压稳定下来，再发送出⼀个电源准备好信号。到了这时候，吸端就可以增加其电流消耗了。当吸端希望总线电压降低的时候，同样的通讯过程也会发⽣。
在总线电压下降期间，源端会激活⼀个分流电路，通过主动的总线放电使总线电压快速降低。达到额定值以后，源端会等待⼀段稍长的时间让总线电压稳定下来，然后再送出⼀个电源准备好信号。
这样的通讯⽅法可确保总线上的任何电源变化都落在源端和吸端的能⼒范围内，避免出现不可控的状况。当Type-C电缆的连接被断开时，总线上的电源也被关断，任何新开始的连接都会进⾏电缆连接检测，电压也总是处于5V，这样就可以避免在电缆接通时有⾼电压从⼀台设备进⼊另⼀台设备 。
USB PD通讯使⽤的是双相标记码 (Bi-phase Mark Code, BMC)，此码是⼀种单线通信编码，数据1的传输需要有⼀次⾼/低电平之间的切换过程，数据0的传输则是固定的⾼电平或低电平。每个数据包都含有0/1交替的前置码、报⽂起始码 (Start of Packet, SOP)、报⽂头、信息数据字节、CRC循环冗余编码和报⽂结束码 (End of Packet, EOC)，参见下图：
下图展⽰的是⼀次要求总线电压升⾼的PD通讯的波形从密集⾄展开的样⼦，从最后展开的波形中可以看出前置码的序列。
BMC通讯数据可以⽤USB PD解码器进⾏解码，Ellisys的EX350分析仪就是这样的设备。有了这种⼯具以后，PD通讯的数据就可以被捕获下来并显⽰出每个数据包的意义，其中含有与时间相关的数据如总线电压值、CC线上的波形等，参见下图
4、电源配置清单
USB PD 3.0规范定义了下列电源配置清单：
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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