对于USB PD快充的解读和应用

1什么是USB PD快充

USB Power Delivery（USB PD） 是目前主流的快充协议之一。是由USB-IF组织制定的一种快速充电规范。该规范可实现更高的电压和电流，输送的功率最高可达100瓦，并可以自由的改变电力的输送方向。

图注：USB PD快充应用

2USB PD的前世今生

USB口充电由来已久。在早期的USB充电中，由于缺乏标准的规格，通用性是早期USB充电的主要问题。鉴于此，USB-IF组织发布了电池充电规范，即BC1.1标准，后来升级到广泛应用的BC1.2，以及最新的BC1.3。在BC1.1中，USB可以输出2.5W的功率（5V / 500mA），到BC1.2中，USB充电功率可到7.5W （5V / 1.5A)，而且定义了不同的电源类型，如SDP， CDP以及DCP。但是随着智能手机功能的增多，7.5W的充电功率也不能满足人们的需求，而且BC1.2充电规范只能进行单向功率传输，在有些应用场合，还需要数据传输和功率传输能够同时进行，这样USB PD就应运而生。

USB PD发展经历了PD1.0，PD2.0，到目前最新的PD3.0。

图注： USB PD 不同功率等级

PD1.0

PD1.0把传输功率从之前的7.5W提高到了最大100W，输出电压最高达到20V，最大电流达到5A。当一个用电设备连接到主机的USB口，初始功率为10W (5V / 2A)，在最终的功率规格选定之后，传输功率相应的转换到18W，36W，60W或者100W。

早期的PD协议是在USB Type-A/B接口上进行传输的，为了不影响Type-A/B接口中数据线（D+，D-）上的数据传输，PD协议利用BUS母线进行PD协议的传输。如下图，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。

图注：VBUS母线上的耦合电路

然而，由于PD信号与电源以及USB数据之间的信号完整性等问题，这次尝试并不尽如人意。而且根据USB-IF的规范，只有当线缆一端是Type-A口，另一端是Type-B口的时候，才允许功率传输，这样不但限制了功率的双向传输，而且实现功率双向传输也变得非常复杂。

USB PD2.0

随着Type-C接口规范的发布，USB-IF将USB PD升级到了2.0版本。BUS电压根据需求在5V，9V，15V和20V之间切换。

Type-C是一种接口规范，默认最大支持5V/3A。Type-C接口带有专用的通信线，即CC(channel configure)线。CC线可以传输USB PD协议，同时支持DRP (dual role port) type C接口，可以在电源和负载之间进行角色转换，进而支持功率双向传输。USB PD2.0借助Type-C接口进行功率传输，有效的解决了上述问题。

图注： Type C接口定义

普通Type-C线缆可以支持3A电流，在需要5A电流的场合，须使用带有E-Mark认证的Type-C线缆，否则电流被限制在3A，这样提高了充电的安全性。

图注：USB PD2.0电压电流等级

基于Type-C接口的USB PD充电的建立过程可以分为以下几步：

第一步

适配器与用电设备（如手机）建立连接之后，适配器通过CC线进行广播，告诉用电设备，适配器能够提供多少种电压及相应的电流。

第二步

用电设备在获悉适配器的供电能力之后，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。

第三步

适配器根据用电设备的选择，评估自身的能力之后，发送“接受”命令。

第四步

适配器进行内部电压变换，并向用电设备发送“电源准备好”数据包。

第五步

适配器输出协商后的新的供电电压。

USB PD3.0

是目前USB PD的最新版本。在PD2.0的基础上，PD3.0增加了PPS（programmable power supply）功能，BUS电压能够以20mV/step进行调整，电流限值能够以50mA/step进行调整。电压电流细分调整可以优化电力传输策略，让power变得更加智能化。

图注：PD3.0的PPS（programmable power supply）功能

USB PD充电的特点：

兼容目前的USB2.0和USB3.0等的接口及线缆

源和负载之间协商供电电压与电流，优化供电策略

最大功率可达100W

功率可以双向流动

与BC1.2共存