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USB-IF(USB Implementers Forum)組織專門為USB Type-C接口推出了USB PD協(xié)議，升級(jí)的硬件接口使快充協(xié)議能夠平衡最大充電功率和安全性。USB Type-C是一種近幾年比較熱的新的接口類型，可以同時(shí)應(yīng)用于主設(shè)備和從設(shè)備，它提供各種擴(kuò)展功能，具有更多引腳，可支持100W以上的功率以及5A以上的更大電流。因此USB PD協(xié)議既可以支持高壓低電流，又可以支持低壓高電流。其主要發(fā)展歷程如下：

2012年，USB-IF發(fā)布USB PD 1.0快充協(xié)議。這是一種基于USB Type-A和USB Type-B接口的協(xié)議，由于線材等因素限制，充電功率較低，并沒(méi)有得到廣泛認(rèn)可。

2014年，F(xiàn)an He提出了USB PD 2.0快充協(xié)議，這是最初的基于Type-C 1.0接口的版本，最高可支持100W的使用功率。此時(shí)Type-C接口尚未得到大范圍使用，成本也比較高，因此依然不是主流的快充協(xié)議。

2017年，Siamak Delshadpour和 Madan Vemula提出USB PD 3.0協(xié)議，創(chuàng)新性推出了PPS(Programmable Power Supply)規(guī)范，使高壓低電流和低壓高電流兩種快充方式均得到支持，電壓調(diào)節(jié)可以達(dá)到20mV。2019年谷歌做出明確規(guī)定，要求所有使用USB接口、帶安卓系統(tǒng)的快充終端必須兼容PD協(xié)議，至此確立了PD協(xié)議在快速充電協(xié)議中的主導(dǎo)地位。

2021年5月25日，USB-F協(xié)會(huì)更新USB PD 3.1規(guī)范，將協(xié)議分為兩個(gè)部分，一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)功率范圍( Standard Power Range，SPR)，另外一個(gè)擴(kuò)展功率范圍(Extended Power Range，EPR)。實(shí)際上SPR其實(shí)就是上一版本USB PD 3.0協(xié)議的主體部分，也就是說(shuō)這個(gè)部分的最大充電功率依然是100W；額外增加的EPR是在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作范圍的基礎(chǔ)上，把快速充電的最大功率大幅擴(kuò)展到了240W，基本上是為了未來(lái)給筆記本電腦等大型設(shè)備充電做好準(zhǔn)備。

USB PD 協(xié)議為了提高充電效率，需要更大的電流或者電壓提高功率。而更高的功率會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的溫度變高，會(huì)給設(shè)備帶來(lái)安全問(wèn)題和使用壽命問(wèn)題。因此，PD協(xié)議在充電過(guò)程中互相傳遞信息，查看內(nèi)部是否處于正常的工作條件下，選擇最合適的充電模式。而 Type-C接口雖然支持多種不同的用途，但是由于觸點(diǎn)數(shù)量有限僅為功率協(xié)商預(yù)留一根通信線，因此USB PD 3.0是一種半雙工的通信協(xié)議。另一方面，由于Type-C接口對(duì)應(yīng)的線包內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，從而使其信道內(nèi)存在的寄生電容、寄生電感較大，從而造成了通信信號(hào)容易DC(Direct Current)不平衡，數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中易丟失、錯(cuò)位的問(wèn)題。

USB Type-C接口將設(shè)備承擔(dān)的角色在供電和數(shù)據(jù)傳輸上進(jìn)行了分離。當(dāng)用于電力傳輸時(shí)，將端口分為SOURCE端(即供能端)和SINK端(即消耗端)。對(duì)于既能夠作為SOURCE端，又能夠作為SINK端的設(shè)備，稱之為DRP設(shè)備。當(dāng)用于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將端口分為DFP(即數(shù)據(jù)下行端口)和UFP(即數(shù)據(jù)上行端口)。默認(rèn)情況下，SOURCE 端作為DFP，SINK端作為UFP。

1.基于Type-C接口的PD3.0通信流程

PD3.0快充協(xié)議完整的結(jié)構(gòu)是由Source端和Sink端組成。PD3.0協(xié)議系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，其中在功能結(jié)構(gòu)上Source端和Sink端有著相似的結(jié)構(gòu)，用來(lái)滿足在工作中通過(guò)快充協(xié)議協(xié)商并交換供電角色。

其中，設(shè)備管理器(Device Policy Manager，DPM)用來(lái)管理和存儲(chǔ)PD 3.0協(xié)議中的數(shù)據(jù)，一般通過(guò)微控制單元(Micro Controller Unit，MCU)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理器功能；策略引擎層Policy Engine在Source端和Sink端都存在，在DPM的指示下用來(lái)實(shí)現(xiàn)包括管理序列指令和Sources、Sinks和Cable Plugs的狀態(tài)管理等功能；Protocol Layer被稱為協(xié)議層用來(lái)完成所有指令的組建和使用，包括定時(shí)器和時(shí)間管理、消息使用和計(jì)數(shù)器重置、錯(cuò)誤處理和狀態(tài)響應(yīng)等；Physical Layer被稱為物理層主要功能是對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以實(shí)現(xiàn)PD 3.0協(xié)議所需要的信號(hào)波形，完整的物理層包括發(fā)送端和接收端并通過(guò)CC通道相連，Physical Layer物理層編碼功能是PD 3.0協(xié)議的核心。

下圖描述了快充協(xié)議的協(xié)商過(guò)程，即Source端和Sink端為了完成充電通信所需要發(fā)送不同指令的過(guò)程。

通常情況下，從Source端到Sink端完整的充電過(guò)程至少需要經(jīng)歷以下六個(gè)步驟：

(1)Source端通過(guò)發(fā)送包含電能規(guī)格信息的Message Header和 Data Objects來(lái)向所有連接的Sink端廣播自己的供電能力。

(2)Sink端成功收到包含電能信息的數(shù)據(jù)后回復(fù)GoodCRC指令，按照自身電能需求從Source端發(fā)送合適的電能規(guī)格中選擇一個(gè)適合自身情況的電能等級(jí)規(guī)格并向Source端發(fā)送電能請(qǐng)求信號(hào)。

(3)Source端成功收到電能請(qǐng)求信號(hào)后回復(fù)GoodCRC指令，評(píng)估Sink端發(fā)送的電能請(qǐng)求信號(hào)中的所需電能規(guī)格，經(jīng)過(guò)評(píng)估后返回“同意”接收該電能規(guī)格請(qǐng)求的信號(hào)。Sink端成功收到同意接收信號(hào)后回復(fù)GoodCRC指令。

(5)Source端通過(guò)啟動(dòng)DC/DC電源電路切換到協(xié)商后的電能規(guī)格，發(fā)送電能就緒信號(hào)給Sink端，通知Sink端可以準(zhǔn)備使用請(qǐng)求電能。

(6)Sink端成功收到電能就緒信號(hào)后，回復(fù)GoodCRC 指令并開(kāi)始使用協(xié)商后的電能。

2.BMC編碼原理

BMC編碼全稱是雙向標(biāo)記編碼，是PD 3.0協(xié)議數(shù)據(jù)在物理層傳輸中所使用的編碼技術(shù)。該編碼技術(shù)可以有效確保通信數(shù)據(jù)在CC通道上實(shí)現(xiàn)DC平衡。BMC編碼本質(zhì)上是曼徹斯特編碼的一種，使用BMC編碼傳輸一個(gè)UI碼元時(shí)在每個(gè)碼元起始處會(huì)發(fā)生電平的跳變，同時(shí)當(dāng)傳輸高電平1時(shí)也會(huì)在碼元中部發(fā)生電平的跳變，即在傳輸高電平1和連續(xù)兩個(gè)低電平0時(shí)都會(huì)保證DC平衡。因此，BMC編碼是一個(gè)高效率的DC平衡的編碼技術(shù)。下圖表示為包含引導(dǎo)頭Preamble、Sync-1、Sync-2和 SOP*數(shù)據(jù)波形的BMC編碼波形圖。

BMC編碼在傳輸Preamble引導(dǎo)頭時(shí)，會(huì)在起始階段傳輸一個(gè)低電平0用來(lái)提示BMC編碼數(shù)據(jù)啟動(dòng)傳輸，即Preamble引導(dǎo)頭是從低電平0起始的。因此，在接收端可以忽略第一個(gè)上升沿，并且在傳輸Preamble第一位之前至少保持tStartDrive時(shí)長(zhǎng)的高阻態(tài)。其中 , tStartDrive持續(xù)時(shí)間為-1us~1us，即第一個(gè)碼元起始前1us至后1us之間，波形如下圖所示。

3.協(xié)議分析驗(yàn)證

3.1電能協(xié)商過(guò)程CC信號(hào)變化波形

用示波器觀察CC通道和VBUS電壓波形。如下圖所示，其中綠色信號(hào)為CC通信通道，紅色VBUS為電源供電電壓。經(jīng)過(guò)CC通道進(jìn)行PD3.0通信，VBUS成功進(jìn)行電壓調(diào)整后并輸出協(xié)商后電壓。

3.2 CC通道BMC編碼數(shù)據(jù)波形

為了觀察在通信過(guò)程中CC信道的波形變化，采用示波器對(duì)通信電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查并截取通信中的BMC編碼波形。但由于整個(gè)PD通信數(shù)據(jù)較大，只截取了部分波形。BMC編碼中每一個(gè)碼元之間會(huì)有電平反轉(zhuǎn)，并且當(dāng)出現(xiàn)高電平1時(shí)或者多個(gè)連續(xù)低電平0時(shí)，都存在輸出電平反轉(zhuǎn)。當(dāng)傳輸1時(shí)，電壓在一個(gè)碼元內(nèi)發(fā)生反轉(zhuǎn)；當(dāng)傳輸0時(shí)，電壓保持一個(gè)碼元不變。如下圖所示，綠色CC通道中的高低變化表示為BMC編碼數(shù)據(jù)。