作者：托馬獅

隨著電子設(shè)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(dāng)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(shè)備續(xù)航問題的優(yōu)選之一。于是，快充技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

快充及其實(shí)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(shè)備的輸出電壓或電流，實(shí)現(xiàn)進(jìn)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%。”從定義描述可以看出，快充常見有兩種實(shí)現(xiàn)方式：高輸出電壓、大輸出電流。

那么供電設(shè)備（Source）如何知道用電設(shè)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(shè)備之間基于充電協(xié)議規(guī)范，通過電平或者報(bào)文等方式進(jìn)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(guān)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(qiáng)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(shí)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(shè)備（筆記本、平板、手機(jī)不限）支持PD，都可以通過一根Type-C線與PD充電器來實(shí)現(xiàn)快速充電。

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

當(dāng)Source(SRC)和Sink(SNK)通過Type-C接口和線纜相連時，位于SRC和SNK設(shè)備中的PD PHY芯片利用Type-C接口中的CC1和CC2來實(shí)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(jìn)行Type-C插入檢測、接口方向檢測，并集成VCONN限流保護(hù)、CC過壓保護(hù)、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(jìn)行的PD協(xié)商

當(dāng)使用C-to-C的線纜連接SRC和SNK時，首先會進(jìn)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(shè)備之間會通過CC線的狀態(tài)來判斷連接狀態(tài)以及進(jìn)行基礎(chǔ)的5V供電。

在Type-C檢測完成后，下一步就是進(jìn)行PD協(xié)商來進(jìn)入PD快充。

PD協(xié)議的物理層實(shí)現(xiàn)由線纜兩端設(shè)備的PD PHY芯片通過CC線上的報(bào)文交互進(jìn)行。艾為AW35615支持當(dāng)前最常用的PD3.0協(xié)議，最高可實(shí)現(xiàn)高達(dá)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(jìn)行實(shí)時步進(jìn)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(shè)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(guān)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(yīng)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(shí)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(jìn)行連接，進(jìn)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(jìn)行配置，以及SNK端MCU對Charger進(jìn)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(chǔ)是Type-C檢測，因此在PD協(xié)商前首先會進(jìn)行Type-C檢測，完成后再進(jìn)行更高級的PD協(xié)議協(xié)商，進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(bào)文的形式進(jìn)行，報(bào)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(fù)責(zé)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(jìn)行實(shí)現(xiàn)；協(xié)議層按照策略層指令構(gòu)建對應(yīng)的協(xié)議報(bào)文，解析由物理層傳遞來的報(bào)文，并將內(nèi)容反饋至策略層，處理GoodCRC和重發(fā)機(jī)制；物理層則對于協(xié)議層發(fā)來的報(bào)文進(jìn)行CRC校驗(yàn)，進(jìn)行4b5b編碼并將報(bào)文從CC發(fā)出，或是對CC線上發(fā)來的報(bào)文進(jìn)行5b4b解碼以及CRC校驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)如下功能：

1.物理層的數(shù)據(jù)編碼、解碼、CRC校驗(yàn)功能

2.協(xié)議層中構(gòu)建、解析報(bào)文并傳遞給物理層

3.處理GoodCRC以及重發(fā)報(bào)文

PD協(xié)議協(xié)商時，由主機(jī)對AW35615的FIFO進(jìn)行讀寫實(shí)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(jī)通過I2C將數(shù)據(jù)緩存至TX_FIFO中，再使能TX發(fā)送，進(jìn)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(jī)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(bào)文，對自己可支持的供電類型和擋位進(jìn)行廣播。

2.當(dāng)SNK端成功接收到Source_Cap并解碼成功時，回復(fù)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(fù)Request報(bào)文來進(jìn)行請求。當(dāng)Source端成功接收到Request并解碼成功時，回復(fù)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(fù)Accept表示接收。SNK接收到后回復(fù)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(fù)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(jìn)行交互，協(xié)議要求SRC和SNK之間每10s內(nèi)需要進(jìn)行一次功率協(xié)商，以確保充電狀態(tài)的安全以及實(shí)時進(jìn)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(jìn)行步進(jìn)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(guān)電容充電芯片，可以實(shí)現(xiàn)VBUS電壓跟隨電池電壓同步上升，以實(shí)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(chǔ)的PD協(xié)議協(xié)商功能，還集成了一些增強(qiáng)保護(hù)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(jìn)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(fù)GoodCRC報(bào)文

AW35615在收到PD報(bào)文并正確解碼后，能夠主動回復(fù)GoodCRC報(bào)文，而不用等待策略層的指令，提高系統(tǒng)運(yùn)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(jī)狀未連接態(tài)下將不進(jìn)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(shí)現(xiàn)對于模擬耳機(jī)的識別，同時也支持Debug Accessory。

5.支持Alt Mode AW35615支持進(jìn)行VDM類型報(bào)文的交互，可用于Type-C接口的DP模式切換等拓展應(yīng)用。 6.CC端口過壓保護(hù)功能 由于Type-C接口中CC和VBUS較為接近，因?yàn)樵谑褂弥谢蛴卸搪返那闆r發(fā)生，此時CC端口的自帶的OVP功能能夠保護(hù)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(yīng)用場合，其主要參數(shù)如下：

除了AW35615，艾為還在快充領(lǐng)域進(jìn)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(yīng)用場景，滿足客戶的不同需求，敬請期待！

審核編輯：湯梓紅