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行业动态

简单带你了解正在广泛普及的PD协议快充

前言
 
  说起 USB-PD 协议,全名 USB Power Delivery ,可能对于很多人来说还很陌生,但是目前越来越多的手机已经开始支持这一协议并用来做为设备快速充电的功能。
 
  稍有了解的人可能认为, USB-PD 协议的充电器输出是以 Type-C 输出的,这与我们常见的 USB-A 接口输出不同,但是这并不能单纯作为判别是否为支持 USB-PD 协议的充电器,有 Type-C 输出的,不一定是支持 USB-PD 协议充电器;支持 USB-PD 协议的充电器,一定是 Type-C 输出的。
 
  PD充电器硬件结构
 
  典型的手机充电器的硬件结构(以基于Dialog方案的高通QC2.0快充协议为例)如图1所示。iW626作为QC2.0协议控制器,经由USB口的D+/D-信号和手机侧AP进行供电协商,然后通过光耦控制原边的AC/DC控制器iW1780完成输出电压的调整。
 
  基于PD协议的充电器电路可以维持AC/DC部分不变,只是将QC协议控制器替换为PD控制器,比如Cypress半导体的CCG2(type-cControllerGeneraTIon2)。CCG2是最早通过USB-IF认证的PD控制器之一,内部包含ARM®Cortex®-M0处理器和完备的PD协议收发器,可以满足充电器,主机,附件,EMAC线缆等各种支持type-c口的应用,在苹果,联想,HP,Dell,小米,乐视等一线品牌客户都有众多的量产案例。
基于Dialog方案的高通QC2.0快充协议的充电器硬件框图
  采用CCG2PD控制器和DialogAC/DC控制器的充电器电路简图如图2所示,CCG2通过Type-C口的CC信号和手机AP进行PD协议沟通,然后通过PWM控制光耦将电压和电流需求反馈到AC/DC进行输出调节。CCG2会通过采样VBUS来保证PD协议状态机的可靠运转,并且根据PD状态通过MOSFET控制VBUS的通断。另外CCG2也可以通过D+/D-支持QC3.0协议,在同一个Type-C口上实现PD和QC的共存(实际工作时两者不能同时起用,用户可以定义优先级和使能策略)。PD快充除了可以进行调压充电,还可以进行电流调节,实现电流精调或者大电流充电甚至直充。CCG2可以使用内部ADC进行电压电流采样,进行闭环控制和OVP/OCP/UVP保护。CCG2的保护机制是软件控制的,因此实时性不够,可以充当AC/DC控制器保护的辅助或者冗余。Cypress的第三代PD控制器CCG3在精简BOM的同时,集成了内部硬件的OCP/OVP等保护机制,提高了ADC精度,提供了最优的大电流直充方案,已经在多个手机客户开始了评估设计。
基于CypressCCG2方案的PD和QC快充协议的充电器硬件框图
PD充电协议是什么
 
  PD充电协议是USB-IF组织公布的功率传输协议,它可以使目前默认最大功率5V/2A的type-c接口提高到100W,同时谷歌宣布Android7.0以上的手机搭载的快充协议必须支持PD协议,意在统一快充市场。
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PD协议快充什么意思
 
  USB-PowerDelivery(USBPD)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。。USBPD透过USB电缆和连接器增加电力输送,扩展USB应用中的电缆总线供电能力。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。
 
  USBPD和Type-C的关系。经常会有人把USBPD和Type-C放在一起谈,甚至就把Type-C充电器叫做PD充电器。USBPD和Type-C其实是两码事,USBPD是一种快速充电协议,而Type-C则是一种新的接口规范。Type-C接口默认最大支持5V/3A,但在实现了USBPD协议以后,能够使输出功率最大支持到前文提到的100W。所以现在许多实用Type-C接口的设备都会支持USBPD协议。
 
  USBPD的发展前景。USBPD现在已经发展到了USBPD3.0版本。在谷歌的推动下目USBPD已经收编了高通的QC快充协议,并获得了中国工信部的支持。有望在不久统一目前混乱的快充市场。

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PD快充协议优势
 
  PD是PowerDelivery,关注的是两个或者多个设备,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QuickCharge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。
USB PD快速充电通信原理
  USBPD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PowerSupply或者USBHost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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  US BPD的原理,以手机和充电器都支持USBPD为例讲解如下:
 
  1)USBOTG的PHY监控VBUS电压,如果有VBUS的5V电压存在并且检测到OTGID脚是1K下拉电阻(不是OTGHost模式,OTGHost模式的ID电阻是小于1K的),就说明该电缆是支持USBPD的;
 
  2)USBOTG做正常BCSV1.2规范的充电器探测并且启动USBPD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USBPD规范解析该消息得出USBPD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PowerSupply的直流电压和电流输出;
 
  5)手机收到Accept消息,调整ChargerIC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。

 

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点击次数:  更新时间:2020-01-08 15:50:59  【打印此页】  【关闭