【技术文章】Power Delivery的源起与规格

新加坡商技流创新有限公司台湾分公司 Granite River Labs

张文馨 Cindy Chang

◼  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)。

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:

Power角色

定义

Source 具有供电能力的供电端,CC pin上设置有Rp
Sink 耗电的一端,CC pin上设置有Rd
DRP 同时具有作为Source和Sink功能,CC pin上同时设有Rp与Rd

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: 

Reset Type

Purpose

Soft Reset Protocol Layer重置 (包含timer、counters、states),但不影响协议好的Power、Data角色,以及Reset前协议好的电压电流。
Hard Reset 当Soft Reset无法解决当前错误时使用。

除了Power角色外,所有的PD协议都重新来过,过程中Source端会暂时将VBUS电压关掉至0 V,再重新打开至5V并重新与Sink协议。

Cable Reset 只有Host端的DFP可以发起Cable Reset,用意在重置与线材的沟通。
Data Reset 重置USB Data装置,重置后两端装置将不在Alternate Mode中。
  • 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。

Collision Avoidance机制设定
Rp Setting 参数 用意
5V 1.5A SinkTxNG Sink只能针对Source端发起的讯息做响应
5V 3A SinkTxOK Sink可以主动发起讯息与Source沟通

◼  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电流最高可供5A,但使用的线材最多只能承受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)

Profile Power
0 Reserved
1 5V @ 2.0A
2 5V @ 2.0A, 12V @ 1.5A
3 5V @ 2.0A, 12V @ 3A
4 5V @ 2.0A, 12V @ 3A and 20V @ 3A
5 5V @ 2.0A, 12V @ 5A and 20V @ 5A

* 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。以最大可达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 PDO5V@3A、9V@3A、15V@2.4A
  • APDO3V ~ 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

 

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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。

 

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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

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