对于USB PD快充的解读和应用

描述

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。

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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。

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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。

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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。

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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

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