【PI_USB PD 01】深入了解USB PD协议

1. USB PD概述USB PDUSB Power Delivery是一种智能的可协商的充电和通信协议建立在标准的USB连接之上最常见的是USB C接口USB PD是USB-IF制定、依托Type‑C CC引脚通信的通用标准化供电协议实现电压/电流智能协商、双向送电当前最高规格PD3.1(EPR)功率 240W(48V/5A)。USB PD协议发展历史版本发布年份最大功率关键特性电压档位PD1.0201240W(20V/2A)初代PD非Type‑C专用5V~20VPD2.02014100W(20V/5A)绑定Type‑C固定档位标准化5V/9V/15V/20VSPR标准功率[__LINK_ICON]PD3.02017100W新增PPS可编程快充(20mV调压)、FRS快速角色互换沿用SPR四档PPS连续调压(3.3~21V)PD3.12021240W拆分SPR(≤100W)EPR扩展功率(100~240W)新增AVS可调电源SPR5/9/15/20VEPR28V/36V/48V(5A)PD3.22024240WSPR新增100mV步进AVSEPR短时峰值电流优化继承3.1全档位[__LINK_ICON]PPS是PD 3.0协议中一个革命性的特性它允许设备以非常小的步进20mV来微调充电电压。传统PD只能在固定的档位切换如9V跳到15VPPS(Programmable Power Supply )可编程供电属于PD3.0新增APDO数据对象依托CC线PD通信低压连续精细调压快充iPhone、安卓低压大电流通用底层协议2. USB Type-C概述Type‑CUSB‑C是USB‑IF标准化全功能接口正反盲插、24pin引脚集成USB数据、PD供电、DP视频、音频标配USB2.0高配USB3.x/雷电。外形8.25mm×2.45mm扁口不分上下正反供电基准默认上电 5V配合USB‑PD最高 240W48V5AUSB-PD就是通过Type-C的“配置通道引脚CC”进行通讯的。2.1. 引脚定义1. CC引脚CC1、CC2PD核心CC配置通道PD协议通信总线BMC编码Rp电源上拉/Rd设备下拉识别插入、设备角色Source/SinkE‑Marker线缆靠CC读取线材载流能力3A/5A/EPR无CC就无法PD快充只能5V2. VBUSGND功率总线VBUS主供电正极PD协商后5/9/15/20/28/36/48VGND功率地大电流靠多组并联引脚分流3A线材最大60WE‑Marker 5A线最高240W3. D/D‑USB2.0数据兼容老USB、QC等私有快充4. SBU1/SBU2USB4/雷电/DP视频信号5. TX/RX高速差分USB3.2/USB4/雷电高速数据 2.2. 电源角色DRPDual Roles of Power电源双角色1. Source源端供电设备向外输出VBUS电能充电器、充电宝放电侧​2. Sink吸端受电设备从VBUS取电手机、笔记本充电侧​3. DRP设备电源双向可变既可做Source对外送电也可做Sink受电笔记本、自带电源的扩展坞2.3. 数据侧角色DRDDual Roles of Data数据双角色1. DFPDownstream Facing Port下行端口数据主机主动发起数据通信等同于传统USB Host​2. UFPUpstream Facing Port上行端口数据从机/外设从属通信等同于传统USB Device​3. DRD设备具备数据双向切换能力可在DFP/UFP之间动态切换固定直通引脚D/D‑、SBU1/SBU2、CC插接正反不改变接线高速差分RX/TX随插接方向交叉需要MUX换向方向识别源CC1/CC2电平控制单元CC控制器→控制MUX自动切换收发路径3. USB Type-C不带电源传输协议电源传输USB Type‑C电源源端Source内部标配VBUS通断控制MOS管用来实现VBUS电源的开启与关断多数源端还集成VBUS电流采样检测电路实时监测输出电流、实现过流保护同时配置VBUS放电回路设备断电、协议异常或退出高压供电时快速泄放VBUS残余电压保障插拔安全。CC1、CC2引脚的采样检测电路为源端、吸端Sink双方通用配置无论供电端还是受电端均需依靠CC检测电路识别外接Rp/Rd分压完成设备插入识别、线缆规格判定与PD协议通信。依靠CC引脚分压电平可完成电源角色判定、插头方向识别、源端输出电流档位识别。源端Source在CC1、CC2配置上拉元件Rp也可采用恒流源替代电阻集成芯片常用规避供电电压波动影响空载时CC引脚保持高电位Sink吸端CC1/CC2固定配置5.1kΩ标准下拉电阻Rd。设备插入后一端Rp与另一端Rd形成分压CC电压被拉低线缆内部仅单根CC连通源端通过判断CC1/CC2哪一路电平跌落即可识别插头正反。Sink同步采样CC电压根据分压电压解析源端标称供电电流一共三档标准最低的CC线电压≈0.41V默认电流USB2.0 500mA / USB3.0 900mA较高的CC线电压≈0.92V1.5A输出规格CC线电压为≈1.68V3A满功率输出规格1. 电缆插入以前源端插座上的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2. 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4. USB Type-C带电源传输协议电源传输源端内置由PD控制器管控的电压变换单元依据输入电压、母线额定上限需求拓扑可选Buck/Boost/Buck‑Boost/反激CC引脚PD通信同样受该PD控制器统一管理。USB PD架构标配Vconn切换开关实现Vconn电源择一接入单路CC线。线缆物理连接完成后CC线启动SOP格式PD交互协商供电档位受电端Sink主动查询源端Source可用PDO供电参数多档母线电压、额定电流Sink侧整机需求由自身主控系统下发至本机PD控制器再由PD控制器完成和源端的供电规格敲定典型场景设备内置锂电充电管理PD供电协商五步流程1. Sink请求受电端向源端索取供电能力列表​2. Source上报源端返回全部PDO电压、电流规格参数​3. Sink选型请求受电端挑选适配档位发送供电申请​4. 源端调压源端确认指令后按标准斜率调整母线电压调压阶段受电端维持小电流负载​5. 就绪上电电压稳定后源端发送电源就绪信号受电端提升工作电流降压复用整套交互逻辑5. USB PD通讯USB PD基于BMC双相标记编码单线传输比特1码元中间发生电平翻转比特0整周期电平保持不变无跳变完整报文帧结构依次交替0/1前导码 → SOP包起始码 → 报文头 → 有效数据 → CRC校验 → EOP包结束码。6. 电子标签线缆USB‑C规范划分多类线缆普通USB2.0低速线缆仅需满足3A载流无需内置芯片USB3.1高速数据线、额定电流3A的大功率线缆必须搭载E‑Marker电子标记芯片有源线缆内置标识IC记录线缆电气参数部分额外集成信号均衡整形芯片全部由CC引脚的VCONN供电带E‑Marker芯片的线缆在VCONN回路配置1kΩ下拉电阻Ra阻值小于受电端标准5.1kΩ下拉电阻Rd。线缆接入后源端通过采集CC1、CC2引脚分压依据引脚被5.1kΩSink或1kΩ线缆Ra拉低的电压差异判别插头正反插接方向同时1kΩ的Ra下拉电平作为识别标识通知源端在对应CC引脚输出5V VCONN为线缆电子标签芯片供电当电缆接通以后源端的一条CC线被来自VCONN端的1kΩ低电阻拉到了很低的电压源端将检测到此电压并由此知道电缆中含有电子标签于是就会将5V的VCONN电源接入CC线以实现对电缆内部电路的供电在其后发生的PD通讯中将会包含源端和电子标签之间的通讯称为SOP’或SOP”以及源端和吸端之间的通讯称为SOP