关于USB PD的测试和分析

USB 3.0对USB规范的改进主要有如下两点：

在兼容原有接插件的空间内新增了两对双绞线，使之成为双总线共存的结构。新增的总线支持双向同时进行的数据传输，其数据传输速率高达5Gbps。

电源传输能力提升至900mA，比原来的500mA提升了80%。

高速数据传输能力为需要传输大量数据的应用带来了助力，诸如移动硬盘之类的应用成为最初的受益者，但是900mA的电流传输能力却仍然是一个短板。

在那个时期，手机已经广泛普及，但是它们所使用的接口却是由各个厂家自己定义的，这种自行定义的接口既包括数据接口也包括电源接口，这种状况所带来的影响就是所有的手机配件都没有通用性。直至今天，我家里仍能找到各种手机留下来的充电器、数据线和耳机，它们互不兼容，看着就觉得可惜，但在那时候却毫无办法，要想把标准统一到某一种规格上是会涉及到巨大的利益问题的，没有厂家愿意从自己身上开始改变。

像这种涉及标准的问题，如果没有国家的强行介入是不可能成功的，而中国在这个问题上成了一个先行者，但其介入的深度也是有限的，它把目标定在了统一充电器的接口规格上，这就是今天被广泛使用的USB A型接口的充电器的来历。

中国标准的充电器使用USB A型接口，其电压仍为5V，但电流供应能力为1.5A，这可以满足那个时期的所有手机的需要。为了和普通的USB接口的500mA/900mA区别开来，中国标准的充电器将对应USB总线的D+/D-两个端子短接在一起，需要充电的USB设备只要检测到D+/D-是短路的，它就可以放心地从中获取最大1.5A的电流。如何与这样的充电器相配，USB BC1.2规范中有详细的说明，这也算是USB-IF对市场的一种主动适应吧。

5V，1.5A，算下来就是7.5W的功率，对于普通的手机来说这是够用的，但对其他设备来说就不行了。我正在用的笔记本电脑，它的电源供应器的输出能力是19.5V/3.34A，为65W，是7.5W的8.666…倍，如果我想通过USB总线来为我的电脑供电，那就势必要提升USB的供电能力才行，而USB PD就是为此而做的努力。

我手里有一份USB-IF 在2012年做的推广USB PD1.0的PPT文件，从中就可以看出来它为自己制定的目标：

它想用一个伟大的创意实现一个伟大的目标，让一切都更美好起来，使你的体验更好。例如，你可以这样配置系统：

也可以这样：

在这样做的情况下，你的所有的设备和线缆还都是和原有的USB规范兼容的，而你需要的电源适配器却只有一个。要实现这样的兼容，如果不增加新的手段，其实就只有一个地方可以下手，那就是在VBUS/GND上做文章。

要想在一对线上传输不同的电压、电流，还要能使任意两台连接在一起的设备都能够做到这一点，这样的做法就是必须的：刚开始连接在一起的时候，VBUS处在某一个初始状态下，为了和传统兼容，这个初始状态很显然必须是5V的；5V下的双方互相进行沟通，供方通知需方自己的供应能力，需方对此进行判断看看是否有符合自己需求的，从中选出自己要的通知对方或是告诉对方自己的需求得不到满足，或者是反过来由需方首先提出自己的需求再由供方看看自己是否能满足然后再通知对方自己能否提供；在上述沟通的基础上建立协议，开始以新的状态工作或是退出尝试过程。

所以，凡是能够满足USB PD想法的系统，一定是具有自适应能力的系统，一定是有通讯能力的系统。

通讯过程自然是可以通过数据线来进行的，可这必然让单纯的电源系统变得很复杂，其实现和成本都是问题。为了不让这种状况发生，在VBUS上传递数据就是自然的选择。

在电源线上传数据，我们很容易想到的做法就是电力载波通讯，而USB PD 1.0的做法也正是如此，它采用了两种不同的频率来分别表达两种不同状态，借此传递数据信息。这样一来，通过VBUS进行数据传输的USB PD系统就是这样的：

从上图可以看到，数据发送端TX出来的信息经过电容耦合到VBUS上进行传输，到了接收端以后再经电容耦合后由RX进行接收。为了避免高频信号被低阻抗的电源电路吸收掉，收发两侧都需要在VBUS线路上加入隔离电感。

在数据发送端，经过编码的数据包需要进行4b5b编码以后送入FSK调制器对额定值为23.2MHz的信号进行调制，其调制偏差为500kHz。经过调制的信号在通过带通滤波器以后就可以送入VBUS进行传输了。实现这些功能的发送端功能框图如下图所示：

而接收端的构成则是与此相逆的过程：

在上图中，SOP所代表的意思是Start of Package，是一个数据包的开始部分，它们可以被理解为地址的代表，因为接收端只有在收到传递给自己的数据时才有必要对数据进行解码，其他的信息都需要被忽略掉，即使你不忽略它也没有意义，因为那不是和你之间的对话。

上面还提到了一个被称为4b5b的编码，据说这是在上世纪80年代才被一家美国公司发明的编码方法。4b代表原始数据是4位的，5b代表输出数据是5位的。每位数据只有0和1两种状态，4b就有16种可能的组合，5b则有32种可能的组合。所以，在4b5b编码中，每一个输入可以得到两种输出，这两种输出是互为补充的，到底要选择哪一个呢？这取决于前一组编码的结果。如果前一组输出的1比较多，这一组就会选择0比较多的输出，反之亦然。这样的做法会带来一个结果，最后输出中呈现的0和1的数量是均等的。从硬件的角度来看，我们可以由此推测出一个结果，输出耦合用的电容上将不会有直流成分存在，不知道你是否意识到了这一点？

要在电源系统中融入二十多MHz的数据通讯系统，这对于很多做电源的人来讲其实是一个蛮大的挑战，毕竟这种高频小信号的处理是很多人所不擅长的。另外，在电源传输线上串入电感作为高频隔离元件，这实在不是一个好的做法。试想一下，假如一个3A的电流正在流过USB电缆，我在此时突然将负载端拔掉，电感（1μH）中的储能将会如何释放？这可正是我们做电源管理的人最怕的东西啊。所以，虽然今天的USB PD1.2中仍然列入了这种实现方法，我们能在市场上看到的实现仍然是稀少的，至少我是没有看到过，不知道读者你见过没有？

所以，对于USB-IF来说，通过VBUS进行载波通讯的USB PD实际上可以被认为是一次失败的尝试，这种状况要到USB Type-C接口被引入以后才会真正得到改变。