USB PD快充發展演進詳解

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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範。該規範可實現更高的電壓和電流,輸送的功率最高可達100瓦,並可以自由的改變電力的輸送方向。

圖注:USB PD快充應用

USB PD的前世今生

 USB口充電由來已久。在早期的USB充電中,由於缺乏標準的規格,通用性是早期USB充電的主要提题。有鑒於此,USB-IF組織發布了電池充电規範,即BC1.1標準,後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。但是随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充電規範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後,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直流电壓產生影響,在迴路中同時添加了zIsolation電感組成的低通濾波器來過濾掉FSK信號。

圖注:VBUS母線上的耦合電路

然而,由於PD信號與電源以及USB數據之間的信號完整性等問题,這次嘗試並不盡如人意。而且根據USB-IF的規範,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双向傳輸,而且實現功率雙向傳輸也變得非常複雜。

 

USB PD2.0

隨著Type-C接口規範的發布,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是一種接口規範,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,有效的解决了上述問题。



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,需要使用帶有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

基於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

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

第二步

用電設備在獲悉配接器的供電能力之後,選擇一個最適合自己的供電方式,並向配接器發送請求數據包。

第三步

配接器根據用電設備的選擇,評估自身的能力之後,發送“接受”命令。

第四步

配接器進行内部電壓變換,並向用電設備發送“電源已準備好”數據包。

第五步

配接器輸出協商後新的供電電壓。

 

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。

USB PD2.0規定多大的功率就應該輸出哪幾個檔位電壓。舉例來說,如果輸出功率為45W那麼就應該輸出5V/9V/15V@3A,而不需要出現20V這個電壓。

另外,PD3.0功率規則也是類似,只是增加了可變輸出電壓檔位。

 

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

 

總結-USB PD充電的特點:

  • 兼容目前的USB2.0和USB3.0等的接口及線纜
  • 電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
  • 且與BC1.2共存

 

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