USB PD快充技术发展历史及版本特性

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USB Power Delivery(USB PD)是基于USB规范的快速充电技术,是USB重要的规范之一。

USB技术自发布已来,得到了很大的发展,并且由于USB自速电源供电(VBUS),使得有很多的小型设备开始使用USB接口进行供电,所以市面上也出现了五花八门的USB充电技术。随着USB3.0规范和TYPE-C接口的发布,在原来USB规范技术的基础上,USBIF组织为适应USB快充技术的发展和统一,发布了USB快速充电规范。在该规范的约束下,使得各大厂商的USB快速充电技术的兼容性得到了统一,而在快充领域内,基于TYPE-C接口的PD技术也变地越来越重要。

PD快充技术应用

USB快充技术的版本

从最早基于USB2.0的USB电池规范BC1.0,该USB接口最大可提供5Vx500mA=2.5W的电源供率,到USB3.O时,这个电流最大提高到了900mA,所以最大功率得到了4.5W,而到了USB BC1.2这个最大电流提高到了1.5A,所以其最大功率达到了7.5W,而且定义了不同的电源类型如SDP, CDP以及DCP。而随着TYPE-C接口智能手机,平板电脑和笔记本电脑的普及,7.5W的功率不能再满足发展,USBIF组织一口气将USB的快速充电供电提高到了100w(20V,5A),这也就诞生了USB PD技术.

这里不不足并不仅表现在充电功率上,也表现在充电的技术方向上。如我们的笔记本,当我们连接电源时,希望通过TYPE-C接口对笔记本电脑充电,而当我们的手机通过TYPE-C接口连接到笔记本上时,我们又希望笔记本电脑给我们的手机进行充电,这就需要对充电的方向进行切换,而早期的USB充电规范显然不能实现这种功能。

USB PD发展经历了PD1.0,PD2.0,到目前最新的PD3.0。
PD快充技术版本

USB PD1.0

USB PD1.0就要是对之前USB BC技术的整合,其传输功率从之前的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USB用电设备通过USB接口连接到USB主机后,其初始功率为10W (5V / 2A),但是通过功率规格选定之后,可以进行传输功率转换,可选的传输功率有18W,36W,60W或者100W。

早其的USB PD技术使用的是VBUS进行PD协议的传输协商的,这样做的目的是为了不影响Type-A/B接口中数据线(D+,D-)上的数据传输。

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来过滤掉FSK信号。
PD通信

但是,由于PD信号与电源以及USB数据之间的信号完整性等问题,这次尝试效果并不是很好。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

USB PD2.0规范的发布是基于Type-C接口实现的,VBUS电压可以在5V,9V,15V和20V之间切换。
USB PD2.O规范奠定了现代USB PD技术的基础,具有划时代意义。

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。
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

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。

TYPE-C接口

USB TYPE-C引脚

描述 描述
A1 GND 接地 B12 GND 接地
A2 SSTXp1 SuperSpeed差分信号#1,TX,正 B11 SSRXp1 SuperSpeed差分信号#1,RX,正
A3 SSTXn1 SuperSpeed差分信号#1,TX,负 B10 SSRXn1 SuperSpeed差分信号#1,RX,负
A4 VBUS 总线电源 B9 VBUS 总线电源
A5 CC1 Configuration channel B8 SBU2 Sideband use (SBU)
A6 Dp1 USB 2.0差分信号,position 1,正 B7 Dn2 USB 2.0差分信号,position 2,负
A7 Dn1 USB 2.0差分信号,position 1,负 B6 Dp2 USB 2.0差分信号,position 2,正
A8 SBU1 Sideband use (SBU) B5 CC2 Configuration channel
A9 VBUS 总线电源 B4 VBUS 总线电源
A10 SSRXn2 SuperSpeed差分信号#2,RX,负 B3 SSTXn2 SuperSpeed差分信号#2,TX,负
A11 SSRXp2 SuperSpeed差分信号#2,RX,正 B2 SSTXp2 SuperSpeed差分信号#2,TX,正
A12 GND 接地 B1 GND 接地

普通Type-C线缆可以支持3A电流,在需要5A电流的场合,需要使用带有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

USB PD2.0电压电流等级

USB PD2.0电压电流等级

USB Type-C接口的USB PD充电的建立过程

基于Type-C接口的USB PD充电的建立过程可以分为以下几步:

  • 配接器与用电设备(如手机)建立连接之后,配接器通过CC线进行广播,告诉用电设备,配接器能够提供多少种电压及相应的电流。
  • 用电设备在获悉配接器的供电能力之后,选择一个最适合自己的供电方式,并向配接器发送请求数据包。
  • 配接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。
  • 配接器进行内部电压变换,并向用电设备发送“电源已准备好”数据包。
  • 配接器输出协商后新的供电电压。

USB PD3.0

USB PD3.0是目前USB PD的最新版本。其最大的特点是可编程性,使用USB PD技术走向了更加智能化,更加精细化的操作。

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。

USB PD2.0规定多大的功率就应该输出哪几个档位电压。举例来说,如果输出功率为45W那么就应该输出5V/9V/15V@3A,而不需要出现20V这个电压。

另外,PD3.0功率规则也是类似,只是增加了可变输出电压档位。
:PD3.0的PPS(programmable power supply)功能

总结-USB PD充电的特点:

  • 兼容目前的USB2.0和USB3.0等的接口及线缆
  • 电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
  • 且与BC1.2共存

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