關(guān)于USB PD的測(cè)試和分析

USB 3.0對(duì)USB規(guī)范的改進(jìn)主要有如下兩點(diǎn)：

在兼容原有接插件的空間內(nèi)新增了兩對(duì)雙絞線，使之成為雙總線共存的結(jié)構(gòu)。新增的總線支持雙向同時(shí)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5Gbps。

電源傳輸能力提升至900mA，比原來(lái)的500mA提升了80%。

高速數(shù)據(jù)傳輸能力為需要傳輸大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用帶來(lái)了助力，諸如移動(dòng)硬盤(pán)之類的應(yīng)用成為最初的受益者，但是900mA的電流傳輸能力卻仍然是一個(gè)短板。

在那個(gè)時(shí)期，手機(jī)已經(jīng)廣泛普及，但是它們所使用的接口卻是由各個(gè)廠家自己定義的，這種自行定義的接口既包括數(shù)據(jù)接口也包括電源接口，這種狀況所帶來(lái)的影響就是所有的手機(jī)配件都沒(méi)有通用性。直至今天，我家里仍能找到各種手機(jī)留下來(lái)的充電器、數(shù)據(jù)線和耳機(jī)，它們互不兼容，看著就覺(jué)得可惜，但在那時(shí)候卻毫無(wú)辦法，要想把標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一到某一種規(guī)格上是會(huì)涉及到巨大的利益問(wèn)題的，沒(méi)有廠家愿意從自己身上開(kāi)始改變。

像這種涉及標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，如果沒(méi)有國(guó)家的強(qiáng)行介入是不可能成功的，而中國(guó)在這個(gè)問(wèn)題上成了一個(gè)先行者，但其介入的深度也是有限的，它把目標(biāo)定在了統(tǒng)一充電器的接口規(guī)格上，這就是今天被廣泛使用的USB A型接口的充電器的來(lái)歷。

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的充電器使用USB A型接口，其電壓仍為5V，但電流供應(yīng)能力為1.5A，這可以滿足那個(gè)時(shí)期的所有手機(jī)的需要。為了和普通的USB接口的500mA/900mA區(qū)別開(kāi)來(lái)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的充電器將對(duì)應(yīng)USB總線的D+/D-兩個(gè)端子短接在一起，需要充電的USB設(shè)備只要檢測(cè)到D+/D-是短路的，它就可以放心地從中獲取最大1.5A的電流。如何與這樣的充電器相配，USB BC1.2規(guī)范中有詳細(xì)的說(shuō)明，這也算是USB-IF對(duì)市場(chǎng)的一種主動(dòng)適應(yīng)吧。

5V，1.5A，算下來(lái)就是7.5W的功率，對(duì)于普通的手機(jī)來(lái)說(shuō)這是夠用的，但對(duì)其他設(shè)備來(lái)說(shuō)就不行了。我正在用的筆記本電腦，它的電源供應(yīng)器的輸出能力是19.5V/3.34A，為65W，是7.5W的8.666…倍，如果我想通過(guò)USB總線來(lái)為我的電腦供電，那就勢(shì)必要提升USB的供電能力才行，而USB PD就是為此而做的努力。

我手里有一份USB-IF 在2012年做的推廣USB PD1.0的PPT文件，從中就可以看出來(lái)它為自己制定的目標(biāo)：

它想用一個(gè)偉大的創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)一個(gè)偉大的目標(biāo)，讓一切都更美好起來(lái)，使你的體驗(yàn)更好。例如，你可以這樣配置系統(tǒng)：

也可以這樣：

在這樣做的情況下，你的所有的設(shè)備和線纜還都是和原有的USB規(guī)范兼容的，而你需要的電源適配器卻只有一個(gè)。要實(shí)現(xiàn)這樣的兼容，如果不增加新的手段，其實(shí)就只有一個(gè)地方可以下手，那就是在VBUS/GND上做文章。

要想在一對(duì)線上傳輸不同的電壓、電流，還要能使任意兩臺(tái)連接在一起的設(shè)備都能夠做到這一點(diǎn)，這樣的做法就是必須的：剛開(kāi)始連接在一起的時(shí)候，VBUS處在某一個(gè)初始狀態(tài)下，為了和傳統(tǒng)兼容，這個(gè)初始狀態(tài)很顯然必須是5V的；5V下的雙方互相進(jìn)行溝通，供方通知需方自己的供應(yīng)能力，需方對(duì)此進(jìn)行判斷看看是否有符合自己需求的，從中選出自己要的通知對(duì)方或是告訴對(duì)方自己的需求得不到滿足，或者是反過(guò)來(lái)由需方首先提出自己的需求再由供方看看自己是否能滿足然后再通知對(duì)方自己能否提供；在上述溝通的基礎(chǔ)上建立協(xié)議，開(kāi)始以新的狀態(tài)工作或是退出嘗試過(guò)程。

所以，凡是能夠滿足USB PD想法的系統(tǒng)，一定是具有自適應(yīng)能力的系統(tǒng)，一定是有通訊能力的系統(tǒng)。

通訊過(guò)程自然是可以通過(guò)數(shù)據(jù)線來(lái)進(jìn)行的，可這必然讓單純的電源系統(tǒng)變得很復(fù)雜，其實(shí)現(xiàn)和成本都是問(wèn)題。為了不讓這種狀況發(fā)生，在VBUS上傳遞數(shù)據(jù)就是自然的選擇。

在電源線上傳數(shù)據(jù)，我們很容易想到的做法就是電力載波通訊，而USB PD 1.0的做法也正是如此，它采用了兩種不同的頻率來(lái)分別表達(dá)兩種不同狀態(tài)，借此傳遞數(shù)據(jù)信息。這樣一來(lái)，通過(guò)VBUS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB PD系統(tǒng)就是這樣的：

從上圖可以看到，數(shù)據(jù)發(fā)送端TX出來(lái)的信息經(jīng)過(guò)電容耦合到VBUS上進(jìn)行傳輸，到了接收端以后再經(jīng)電容耦合后由RX進(jìn)行接收。為了避免高頻信號(hào)被低阻抗的電源電路吸收掉，收發(fā)兩側(cè)都需要在VBUS線路上加入隔離電感。

在數(shù)據(jù)發(fā)送端，經(jīng)過(guò)編碼的數(shù)據(jù)包需要進(jìn)行4b5b編碼以后送入FSK調(diào)制器對(duì)額定值為23.2MHz的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，其調(diào)制偏差為500kHz。經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)在通過(guò)帶通濾波器以后就可以送入VBUS進(jìn)行傳輸了。實(shí)現(xiàn)這些功能的發(fā)送端功能框圖如下圖所示：

而接收端的構(gòu)成則是與此相逆的過(guò)程：

在上圖中，SOP所代表的意思是Start of Package，是一個(gè)數(shù)據(jù)包的開(kāi)始部分，它們可以被理解為地址的代表，因?yàn)榻邮斩酥挥性谑盏絺鬟f給自己的數(shù)據(jù)時(shí)才有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，其他的信息都需要被忽略掉，即使你不忽略它也沒(méi)有意義，因?yàn)槟遣皇呛湍阒g的對(duì)話。

上面還提到了一個(gè)被稱為4b5b的編碼，據(jù)說(shuō)這是在上世紀(jì)80年代才被一家美國(guó)公司發(fā)明的編碼方法。4b代表原始數(shù)據(jù)是4位的，5b代表輸出數(shù)據(jù)是5位的。每位數(shù)據(jù)只有0和1兩種狀態(tài)，4b就有16種可能的組合，5b則有32種可能的組合。所以，在4b5b編碼中，每一個(gè)輸入可以得到兩種輸出，這兩種輸出是互為補(bǔ)充的，到底要選擇哪一個(gè)呢？這取決于前一組編碼的結(jié)果。如果前一組輸出的1比較多，這一組就會(huì)選擇0比較多的輸出，反之亦然。這樣的做法會(huì)帶來(lái)一個(gè)結(jié)果，最后輸出中呈現(xiàn)的0和1的數(shù)量是均等的。從硬件的角度來(lái)看，我們可以由此推測(cè)出一個(gè)結(jié)果，輸出耦合用的電容上將不會(huì)有直流成分存在，不知道你是否意識(shí)到了這一點(diǎn)？

要在電源系統(tǒng)中融入二十多MHz的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，這對(duì)于很多做電源的人來(lái)講其實(shí)是一個(gè)蠻大的挑戰(zhàn)，畢竟這種高頻小信號(hào)的處理是很多人所不擅長(zhǎng)的。另外，在電源傳輸線上串入電感作為高頻隔離元件，這實(shí)在不是一個(gè)好的做法。試想一下，假如一個(gè)3A的電流正在流過(guò)USB電纜，我在此時(shí)突然將負(fù)載端拔掉，電感（1μH）中的儲(chǔ)能將會(huì)如何釋放？這可正是我們做電源管理的人最怕的東西啊。所以，雖然今天的USB PD1.2中仍然列入了這種實(shí)現(xiàn)方法，我們能在市場(chǎng)上看到的實(shí)現(xiàn)仍然是稀少的，至少我是沒(méi)有看到過(guò)，不知道讀者你見(jiàn)過(guò)沒(méi)有？

所以，對(duì)于USB-IF來(lái)說(shuō)，通過(guò)VBUS進(jìn)行載波通訊的USB PD實(shí)際上可以被認(rèn)為是一次失敗的嘗試，這種狀況要到USB Type-C接口被引入以后才會(huì)真正得到改變。