Granite River Labs, GRL
张文馨 Cindy Chang
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) 方式顶多也只能提供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V1.0 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Max100W (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)。
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)
依供电端与耗电端区分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：
- 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
- 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，然后由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：
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。
PD 协议
1. SOP* Communication
在了解如何沟通之前，先了解PD讯息传送的对象可分为三种–SOP、SOP’、SOP’’
SOP/ SOP’/ SOP’’ 沟通示意图 (图六，取自PD3.0 Spec)
Source与Sink之间使用SOP讯息，靠近Vconn Source (负责供电给线材中e-Marker) 讯息使用SOP’，与较远程e-Marker的讯息则用SOP’’。
* 并非每一条线材都有搭载e-Marker，若该线材支持SuperSpeed或大于3安培的电流，依规定就必须有e-Marker。
2. Implicit PD Contract
Source/Sink供电协议会受到中间线材条件限制，举例来说，若source电流可供5A，但使用的线材顶多只能承受3A的电流，那么source就不能以5A的条件与Sink协议。通常Source会先以SOP’ 发送Discover ID Request，并透过e-Marker回传的Discover ID ACK读取线材信息。
使用GRL-A1解译Discover ID ACK内容 (图七)
Source参考线材可支持的条件，送出Source Capabilities给Sink表示当下状态的供电能力，Sink会依需求从中选择且回Request向Source要求当下需要的电压电流，Source收到后确认可以此条件供电就会回复Accept，并且在状态准备好之后再发PS RDY。至此步骤Implicit PD Contract完成，在这之后双方可再视状况，重新协议新的PD contract。
Implicit PD Contract 流程示意图 (图八)
Source Capabilities
对于Source Capabilities的规格，PD Spec也有相关章节说明规则，以下整理自PD 1.0以来至PD3.0对其的规范：
- USB PD 1.0：
没有强制要求供电端的规格，仅参考大部分产品的充电需求，列出几种建议设定。
PD 1.0 建议供电规格 (表一，取自PD1.0 Spec)
* 为符合国际安全标准，供电能力限制上限100瓦且电流不超过5安培为限。
- USB PD 2.0：
USB PD 2.0开始，规格中明确要求作为供电端时，产品需要满足以下表格中条件。以极大可达36W为例，需设定 5V 3A、9V 3A、15V 2.4A组合的供电能力，这个条件会在Source Capabilities中的 PDO (Power Data Object) 字段列出。各产品可再依需求增加表格外的其他组合，以不超过7组为限。
PD2.0 供电规格规范 (表二，取自PD2.0 Spec)
* 2020年8月后，USB-IF已终止所有只支持到PD2.0产品的认证。
- USB PD 3.0：
USB PD 3.0的供电规格如下，新增了一项选配的 PPS (Programmable Power Supply) 功能。在PPS模式中，可以步阶20 mV/step调整电压，且电压范围扩展到3.3 V至21 V，这项技术的应用可在更低的电压输出大电流，大幅提升了充电的效率。
为区分PD2.0既有模式以及PD3.0新增的PPS模式，在下表的规则中PDO又可分成：
- Fixed Supply PDO (通常简称Fixed PDO)，指固定电压输出的模式
- Augmented PDO (通常简称APDO)，指PPS模式底下，电压可以在一定范围区间内调整输出
同样以36W为例，若产品欲支持PPS (Optional)，则需包含：
- Fixed PDO：5V@3A、9V@3A、15V@2.4A
- APDO：3V ~ 11V (9V Prog)@3A、3.3~16V (15V Prog)@2.4A
其中因为5V Prog已经包含在9V Prog规格中，若非两组APDO电流有不同的设定，可以选择不再另外列出。
PD3.0 供电规格规范 (表三，取自PD3.0 Spec)
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
作者
GRL中国台湾测试工程师 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中国台湾负责PD测试，乐于协助客户PD方面的问题，以顺利取得认证。
本文件中规格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
发布日期 2021/03/24 AN-210324-TW
