原创 Power Delivery的源起与规格(一)

2021-4-8 15:12 325 0 分类: 智能硬件 文集: 快充
浅谈Power Delivery起源与规格

过往产品的充电装置多由各家厂牌使用各自的接口,导致装置汰换时将造成许多浪费。由于USB的普及,市面大部分的产品都透过此接口传输数据,进而促使人们欲提升USB供电能力的想法。过去即使透过USB Battery Charging 1.2 (BC1.2) 方式最多也只能提供7.5W (5V 1.5A),则电子产品需要较长的时间来充电。

USB-IF (USB Implementers Forum) 于2012年发表第一版USB Power Delivery规范 (USB Power Delivery Specification Revision 1.0, Version 1.0),其规格使供电能力大幅提升到最高100W (20V 5A)。随着更多功能的加入,规范不断更新,现已来到USB Power Delivery Specification Revision 3.0 (后续以PD及PD Spec简称)。PD认证信息:https://graniteriverlabs.com.cn/usb-pd/

随发展越来越成熟,Type-C接口渐渐成为市面上的主流,且多数产品支持PD,这些产品使用Configuration Channel (CC) pin传输PD沟通的讯息与协议,透过VBUS脚位供电。以下将从Type-C架构简介开始,逐步了解PD概念。

Type-C 架构 (Source/Sink Detection)

供电端耗电端区分Power角色,广义可分为下列三种:


对接的两端透过CC与VBUS侦测是否有合适的装置连接上:

1. Source:监测CC pin电压,当Source 侦测到CC pin上Rd,表示接上Sink,则Source会在VBUS输出5V

2. Sink:侦测VBUS,有5V时可知此时连接上Source

PD沟通前,Type-C连接示意图 (图一,取自Type-C Cable and Connector Spec)


PD 架构

以Source端举例说明,Device Policy Manager主要负责监控装置整体使用状况,工作包含:控制Power Source和USB-C Port Control模块,并与Policy Engine合作以调节电源分配,每个埠根据被分配到的资源与其对接的装置协议。USB-C Control则控制前一小节所述Source/Sink Detection部分,之后PD行为的控制由Physical Layer (PHY Layer)、Protocol、Policy Engine三部分共同合作,最后由Power Source透过VBUS供电给对方。

USB PD 架构示意图 (图二,取自PD3.0 Spec)


  • Policy Engine

向上提供Device Policy Manager个别埠的状态,使Policy Manager可以实时整合与更新装置状态并重新调配资源予每个埠。

向下依据政策判断如何发送与响应收到的PD讯息,并指示Protocol Layer建构讯息。

  • Protocol Layer

传送讯息端:接收Policy Engine的指示建构所需讯息交给PHY Layer,并藉由对方回传GoodCRC确认讯息有正确送出,否则视为传送失败,适用重新发送(Retry)机制。

接收讯息端:收到PHY Layer传来的讯息,解读该讯息并将信息向上呈报给Policy Engine,在做相对响应前,先建构GoodCRC讯息让PHY回送给对方,表示讯息已正确收到并解读。

同时装置双方的Protocol Layer需各自计算对方是否在要求时间内有正确的响应 (Timer check)。

若以上确认内容有侦测到任何错误,任一方的Protocol Layer可发起Reset机制重整状态:

  • PHY Layer

把Protocol层送来的讯息再加工,加上以4b5b方式编码的SOP*、CRC、EOP以及Preamble,组成一完整的讯息,透过CC以BMC方式传送给对方。

PD 讯息格式示意图 (图三,取自PD3.0 Spec)

反之,收到讯息时,PHY要先验证收到的讯息CRC,若正确就将讯息向上回传给接收端的Protocol Layer。


PHY Layer传送讯息流程示意图 (图四,取自PD3.0 Spec)

下图以Source Capabilities讯息为例,简单表示上述内容中的传送端、接收端,以及讯息的传送流程:

(图五)

由上述可以看到对接的两端装置PD讯息都靠同一条路线 (CC) 传送,为避免两端同时传讯息,Source的Protocol有Collision Avoidance机制可以透过指示PHY控制Rp设定,告诉Sink当下是否可以只针对Source讯息响应。


下期专栏,将讲解Power Delivery协议规范,请持续关注!

USB、USB-C、USB Type-C®和USB-IF是USB Implementers Forum的注册商标

免责声明

本资讯仅为便于参照而提供。本资讯不是且不应视为 USB Implementers Forum (USB-IF) 之正式通讯。USB-IF 之正式通讯可于其网站 usb.org 取得,或直接自 USB-IF 取得。

参考文献

  • USB Type-C® Cable and Connector Specification Revision 2.0
  • USB Power Delivery Specification Revision 1.0 Version 1.2
  • USB Power Delivery Specification Revision 2.0 Version 1.3
  • USB Power Delivery Specification Revision 3.0 Version 2.0
  • Granite River Labs USB Compliance Test
  • https://graniteriverlabs.com.cn/usb-compliance/

原创声明

作者

GRL台湾测试工程师 张文馨 Cindy Chang

毕业于国立成功大学材料所。具三年多的Power Delivery相关测试经验,熟悉Thunderbolt PD、USB-IF PD Compliance、QC (Qualcomm Quick Charge) 等测试规范。目前在GRL台湾负责PD测试,乐于协助客户PD方面的问题,以顺利取得认证。


作者: GRL实验室, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3943047.html

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