基于PD PHY芯片進行的PD協(xié)商

作者：托馬獅

隨著電子設備及其技術(shù)的迅速發(fā)展，如今的電子產(chǎn)品的小型化、無線化等趨勢以及內(nèi)置功能的不斷增加，無一不對電子產(chǎn)品的電池續(xù)航帶來了巨大的挑戰(zhàn)。而當前，受限于電池技術(shù)無法顯著增加電池容量，因此為用戶提供一個更快的電池充電方案成為了眼下解決電子設備續(xù)航問題的優(yōu)選之一。于是，快充技術(shù)應運而生。

快充及其實現(xiàn)原理

快充的官方定義為“從初始充電狀態(tài)開始至充電30分鐘，通過提高供電設備的輸出電壓或電流，實現(xiàn)進入電池的平均電流大于或等于3A或總充電量大于或等于電池額定容量的60%?！睆亩x描述可以看出，快充常見有兩種實現(xiàn)方式：高輸出電壓、大輸出電流。

那么供電設備（Source）如何知道用電設備（Sink）具體需要什么樣的充電電壓和充電電流呢？這時，充電協(xié)議就需要“出場”了。

兩臺設備之間基于充電協(xié)議規(guī)范，通過電平或者報文等方式進行通信協(xié)商，最終確定一個雙方都接受的充電規(guī)格，這就是充電協(xié)議的作用。

關于PD協(xié)議

如今市面上有許多不同的充電協(xié)議，其中由USB-IF組織推出的PD協(xié)議借著Type-C接口的推廣和覆蓋，正逐漸成為最主流和兼容性最強的協(xié)議之一。

PD的全名叫做Power Delivery，是USB-IF協(xié)會借Type-C接口的普及而實現(xiàn)充電協(xié)議大一統(tǒng)而提出的充電規(guī)范。理想情況下，只要設備（筆記本、平板、手機不限）支持PD，都可以通過一根Type-C線與PD充電器來實現(xiàn)快速充電。

既然協(xié)議有了，又需要通過什么硬件來運行協(xié)議進行協(xié)商呢？這里需要為大家介紹今天的主角——PD PHY芯片。

當Source(SRC)和Sink(SNK)通過Type-C接口和線纜相連時，位于SRC和SNK設備中的PD PHY芯片利用Type-C接口中的CC1和CC2來實現(xiàn)Type-C檢測和PD協(xié)議協(xié)商等一系列工作。以艾為PD PHY芯片AW35615為例，其基于PD3.0協(xié)議，能夠進行Type-C插入檢測、接口方向檢測，并集成VCONN限流保護、CC過壓保護、VBUS Discharge功能，具備Wake低功耗檢測模式，支持PPS以及最高100W的PD功率協(xié)商。

接下來，小為將以艾為AW35615為例，為大家簡單介紹一下PD協(xié)商的完整過程。

基于PD PHY芯片進行的PD協(xié)商

當使用C-to-C的線纜連接SRC和SNK時，首先會進行基于Type-C接口的連接檢測，稱為Type-C檢測。在這個階段，使用Type-C接口的兩個設備之間會通過CC線的狀態(tài)來判斷連接狀態(tài)以及進行基礎的5V供電。

在Type-C檢測完成后，下一步就是進行PD協(xié)商來進入PD快充。

PD協(xié)議的物理層實現(xiàn)由線纜兩端設備的PD PHY芯片通過CC線上的報文交互進行。艾為AW35615支持當前最常用的PD3.0協(xié)議，最高可實現(xiàn)高達100W功率的供電擋位。

PD3.0主要包含兩種常見的供電電壓類型：

1.固定電壓供電（Fixed Supply）

2.可編程電壓供電PPS（Programmable Power Supply）

固定電壓類型包含幾種常見的VBUS電壓，如5V/9V/15V/20V。此供電類型下，VBUS電壓將固定為所選的電壓。

PPS供電類型為PD3.0新加入的供電類型，它不同于固定電壓擋位的恒定VBUS電壓。

PPS供電支持VBUS電壓在3-20V之間，以20mV步長進行實時步進調(diào)節(jié)。這一功能使得PD協(xié)議不再只支持固定的幾個電壓擋位，而是適配此范圍內(nèi)的任何電壓需求。

AW35615支持包含了PPS供電類型的PD3.0協(xié)議，因此可以滿足用電設備在此電壓范圍內(nèi)的任何VBUS電壓需求。尤其是在例如開關電容充電芯片這類需要根據(jù)電池電壓動態(tài)調(diào)節(jié)VBUS電壓的應用場合，AW35615的PPS功能可以完全滿足其對于VBUS電壓調(diào)節(jié)的需求，協(xié)助充電芯片實現(xiàn)高效率快充。

常見的PD互連系統(tǒng)簡要框圖如下所示：

SRC端和SNK端的PD PHY通過C to C的線纜中的CC線進行連接，進行協(xié)商后將協(xié)商的充電需求結(jié)果反饋給MCU，再由SRC端MCU對BUCK-BOOST進行配置，以及SNK端MCU對Charger進行配置，開始充電。一個完整的PD充電流程VBUS電壓變化如下圖所示：

如前文所述，PD快充的基礎是Type-C檢測，因此在PD協(xié)商前首先會進行Type-C檢測，完成后再進行更高級的PD協(xié)議協(xié)商，進一步提高充電電壓。

因此Type-C的PD快充與以往USB-A的充電過程的區(qū)別在于：Type-C檢測完成前，VBUS不進行供電，避免了在正確連接前可能出現(xiàn)的短路等問題；Type-C檢測后，VBUS僅進行5V供電，PD協(xié)商后，VBUS提高至需求電壓。

PD協(xié)議的協(xié)商由Source端和Sink端的PD PHY在CC線上以收發(fā)報文的形式進行，報文使用4b5b編碼方式。

PD協(xié)議的完整系統(tǒng)包含策略層、協(xié)議層、物理層。其中策略層負責制定充電策略，管理充電規(guī)格，這部分一般由系統(tǒng)中的SOC進行實現(xiàn)；協(xié)議層按照策略層指令構(gòu)建對應的協(xié)議報文，解析由物理層傳遞來的報文，并將內(nèi)容反饋至策略層，處理GoodCRC和重發(fā)機制；物理層則對于協(xié)議層發(fā)來的報文進行CRC校驗，進行4b5b編碼并將報文從CC發(fā)出，或是對CC線上發(fā)來的報文進行5b4b解碼以及CRC校驗，并將解碼后的內(nèi)容反饋至協(xié)議層。

艾為AW35615作為一款支持PD3.0的PD PHY，可實現(xiàn)如下功能：

1.物理層的數(shù)據(jù)編碼、解碼、CRC校驗功能

2.協(xié)議層中構(gòu)建、解析報文并傳遞給物理層

3.處理GoodCRC以及重發(fā)報文

PD協(xié)議協(xié)商時，由主機對AW35615的FIFO進行讀寫實現(xiàn)PD數(shù)據(jù)的通信。流程如下圖所示：

發(fā)送數(shù)據(jù)時，主機通過I2C將數(shù)據(jù)緩存至TX_FIFO中，再使能TX發(fā)送，進行物理層編碼后發(fā)送至CC線；接收數(shù)據(jù)時，AW35615將CC線接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過物理層解碼后緩存至RX_FIFO中，主機通過I2C訪問RX_FIFO。

PD協(xié)商的流程采用一問一答的形式，一次固定電壓擋位需求的成功協(xié)商過程如下所示：

1. 首先由Source端在CC線上發(fā)送Source_Cap報文，對自己可支持的供電類型和擋位進行廣播。

2.當SNK端成功接收到Source_Cap并解碼成功時，回復GOODCRC表示接收成功。

3.SNK端從接收到的SRC中選擇一個合適的供電類型和擋位，回復Request報文來進行請求。當Source端成功接收到Request并解碼成功時，回復GOODCRC表示接收成功。

4.若SNK端請求的供電擋位符合SRC端的能力，則由SRC回復Accept表示接收。SNK接收到后回復GOODCRC。

5.SRC端調(diào)整VBUS電壓到SNK請求的功率，然后發(fā)送PS_RDY。SNK收到后回復GOODCRC。

至此VBUS電壓已調(diào)整為SNK端需求的電壓擋位，PD功率協(xié)商完成。

除了固定電壓擋位，AW35615還支持可編程供電擋位，即PPS模式。不同于固定電壓擋位時的協(xié)商一次完成后電壓即固定，PPS擋位下，SRC和SNK會不斷地進行交互，協(xié)議要求SRC和SNK之間每10s內(nèi)需要進行一次功率協(xié)商，以確保充電狀態(tài)的安全以及實時進行電壓的調(diào)節(jié)。

PPS模式下，每一次功率協(xié)商時SNK可以需求SRC端的VBUS電壓以20mV的步長進行步進調(diào)節(jié)，因此PPS模式下SNK端可以需求3-20V范圍內(nèi)的任意VBUS電壓。AW35615在這一模式配合開關電容充電芯片，可以實現(xiàn)VBUS電壓跟隨電池電壓同步上升，以實現(xiàn)高效率的快速充電。

AW35615作為一顆支持PD3.0的PD PHY芯片，除了基礎的PD協(xié)議協(xié)商功能，還集成了一些增強保護性和便利性的附加功能：

1.VBUS放電功能

AW35615提供了兩種放電電阻值660Ω和10kΩ，通過寄存器配置使能進行放電，使得VBUS的電壓迅速下降。快速泄放VBUS的殘留電荷，可以減少對于VBUS引腳的電腐蝕。

2.支持自動回復GoodCRC報文

AW35615在收到PD報文并正確解碼后，能夠主動回復GoodCRC報文，而不用等待策略層的指令，提高系統(tǒng)運行效率。

3.自帶WAKE低功耗檢測模式

此模式下AW35615的CC線在待機狀未連接態(tài)下將不進行toggle以降低功耗。

4.支持附件模式 AW35615可支持附件模式如Audio Accessory以實現(xiàn)對于模擬耳機的識別，同時也支持Debug Accessory。

5.支持Alt Mode AW35615支持進行VDM類型報文的交互，可用于Type-C接口的DP模式切換等拓展應用。 6.CC端口過壓保護功能 由于Type-C接口中CC和VBUS較為接近，因為在使用中或有短路的情況發(fā)生，此時CC端口的自帶的OVP功能能夠保護芯片內(nèi)部模塊不被高壓損壞。

除此以外，AW35615還推出了兩種不同封裝的產(chǎn)品以兼容各類應用場合，其主要參數(shù)如下：

除了AW35615，艾為還在快充領域進行持續(xù)拓展，后續(xù)也會有集成更多、更新協(xié)議的快充芯片面世，以更全面地覆蓋客戶更多的應用場景，滿足客戶的不同需求，敬請期待！

審核編輯：湯梓紅