基于PD PHY芯片进行的PD协商

作者：托马狮

随着电子设备及其技术的迅速发展，如今的电子产品的小型化、无线化等趋势以及内置功能的不断增加，无一不对电子产品的电池续航带来了巨大的挑战。而当前，受限于电池技术无法显著增加电池容量，因此为用户提供一个更快的电池充电方案成为了眼下解决电子设备续航问题的优选之一。于是，快充技术应运而生。

快充及其实现原理

快充的官方定义为“从初始充电状态开始至充电30分钟，通过提高供电设备的输出电压或电流，实现进入电池的平均电流大于或等于3A或总充电量大于或等于电池额定容量的60%。”从定义描述可以看出，快充常见有两种实现方式：高输出电压、大输出电流。

那么供电设备（Source）如何知道用电设备（Sink）具体需要什么样的充电电压和充电电流呢？这时，充电协议就需要“出场”了。

两台设备之间基于充电协议规范，通过电平或者报文等方式进行通信协商，最终确定一个双方都接受的充电规格，这就是充电协议的作用。

关于PD协议

如今市面上有许多不同的充电协议，其中由USB-IF组织推出的PD协议借着Type-C接口的推广和覆盖，正逐渐成为最主流和兼容性最强的协议之一。

PD的全名叫做Power Delivery，是USB-IF协会借Type-C接口的普及而实现充电协议大一统而提出的充电规范。理想情况下，只要设备（笔记本、平板、手机不限）支持PD，都可以通过一根Type-C线与PD充电器来实现快速充电。

既然协议有了，又需要通过什么硬件来运行协议进行协商呢？这里需要为大家介绍今天的主角——PD PHY芯片。

当Source(SRC)和Sink(SNK)通过Type-C接口和线缆相连时，位于SRC和SNK设备中的PD PHY芯片利用Type-C接口中的CC1和CC2来实现Type-C检测和PD协议协商等一系列工作。以艾为PD PHY芯片AW35615为例，其基于PD3.0协议，能够进行Type-C插入检测、接口方向检测，并集成VCONN限流保护、CC过压保护、VBUS Discharge功能，具备Wake低功耗检测模式，支持PPS以及最高100W的PD功率协商。

接下来，小为将以艾为AW35615为例，为大家简单介绍一下PD协商的完整过程。

基于PD PHY芯片进行的PD协商

当使用C-to-C的线缆连接SRC和SNK时，首先会进行基于Type-C接口的连接检测，称为Type-C检测。在这个阶段，使用Type-C接口的两个设备之间会通过CC线的状态来判断连接状态以及进行基础的5V供电。

在Type-C检测完成后，下一步就是进行PD协商来进入PD快充。

PD协议的物理层实现由线缆两端设备的PD PHY芯片通过CC线上的报文交互进行。艾为AW35615支持当前最常用的PD3.0协议，最高可实现高达100W功率的供电挡位。

PD3.0主要包含两种常见的供电电压类型：

1.固定电压供电（Fixed Supply）

2.可编程电压供电PPS（Programmable Power Supply）

固定电压类型包含几种常见的VBUS电压，如5V/9V/15V/20V。此供电类型下，VBUS电压将固定为所选的电压。

PPS供电类型为PD3.0新加入的供电类型，它不同于固定电压挡位的恒定VBUS电压。

PPS供电支持VBUS电压在3-20V之间，以20mV步长进行实时步进调节。这一功能使得PD协议不再只支持固定的几个电压挡位，而是适配此范围内的任何电压需求。

AW35615支持包含了PPS供电类型的PD3.0协议，因此可以满足用电设备在此电压范围内的任何VBUS电压需求。尤其是在例如开关电容充电芯片这类需要根据电池电压动态调节VBUS电压的应用场合，AW35615的PPS功能可以完全满足其对于VBUS电压调节的需求，协助充电芯片实现高效率快充。

常见的PD互连系统简要框图如下所示：

SRC端和SNK端的PD PHY通过C to C的线缆中的CC线进行连接，进行协商后将协商的充电需求结果反馈给MCU，再由SRC端MCU对BUCK-BOOST进行配置，以及SNK端MCU对Charger进行配置，开始充电。一个完整的PD充电流程VBUS电压变化如下图所示：

如前文所述，PD快充的基础是Type-C检测，因此在PD协商前首先会进行Type-C检测，完成后再进行更高级的PD协议协商，进一步提高充电电压。

因此Type-C的PD快充与以往USB-A的充电过程的区别在于：Type-C检测完成前，VBUS不进行供电，避免了在正确连接前可能出现的短路等问题；Type-C检测后，VBUS仅进行5V供电，PD协商后，VBUS提高至需求电压。

PD协议的协商由Source端和Sink端的PD PHY在CC线上以收发报文的形式进行，报文使用4b5b编码方式。

PD协议的完整系统包含策略层、协议层、物理层。其中策略层负责制定充电策略，管理充电规格，这部分一般由系统中的SOC进行实现；协议层按照策略层指令构建对应的协议报文，解析由物理层传递来的报文，并将内容反馈至策略层，处理GoodCRC和重发机制；物理层则对于协议层发来的报文进行CRC校验，进行4b5b编码并将报文从CC发出，或是对CC线上发来的报文进行5b4b解码以及CRC校验，并将解码后的内容反馈至协议层。

艾为AW35615作为一款支持PD3.0的PD PHY，可实现如下功能：

1.物理层的数据编码、解码、CRC校验功能

2.协议层中构建、解析报文并传递给物理层

3.处理GoodCRC以及重发报文

PD协议协商时，由主机对AW35615的FIFO进行读写实现PD数据的通信。流程如下图所示：

发送数据时，主机通过I²C将数据缓存至TX_FIFO中，再使能TX发送，进行物理层编码后发送至CC线；接收数据时，AW35615将CC线接收到的数据经过物理层解码后缓存至RX_FIFO中，主机通过I²C访问RX_FIFO。

PD协商的流程采用一问一答的形式，一次固定电压挡位需求的成功协商过程如下所示：

1. 首先由Source端在CC线上发送Source_Cap报文，对自己可支持的供电类型和挡位进行广播。

2.当SNK端成功接收到Source_Cap并解码成功时，回复GOODCRC表示接收成功。

3.SNK端从接收到的SRC中选择一个合适的供电类型和挡位，回复Request报文来进行请求。当Source端成功接收到Request并解码成功时，回复GOODCRC表示接收成功。

4.若SNK端请求的供电挡位符合SRC端的能力，则由SRC回复Accept表示接收。SNK接收到后回复GOODCRC。

5.SRC端调整VBUS电压到SNK请求的功率，然后发送PS_RDY。SNK收到后回复GOODCRC。

至此VBUS电压已调整为SNK端需求的电压挡位，PD功率协商完成。

除了固定电压挡位，AW35615还支持可编程供电挡位，即PPS模式。不同于固定电压挡位时的协商一次完成后电压即固定，PPS挡位下，SRC和SNK会不断地进行交互，协议要求SRC和SNK之间每10s内需要进行一次功率协商，以确保充电状态的安全以及实时进行电压的调节。

PPS模式下，每一次功率协商时SNK可以需求SRC端的VBUS电压以20mV的步长进行步进调节，因此PPS模式下SNK端可以需求3-20V范围内的任意VBUS电压。AW35615在这一模式配合开关电容充电芯片，可以实现VBUS电压跟随电池电压同步上升，以实现高效率的快速充电。

AW35615作为一颗支持PD3.0的PD PHY芯片，除了基础的PD协议协商功能，还集成了一些增强保护性和便利性的附加功能：

1.VBUS放电功能

AW35615提供了两种放电电阻值660Ω和10kΩ，通过寄存器配置使能进行放电，使得VBUS的电压迅速下降。快速泄放VBUS的残留电荷，可以减少对于VBUS引脚的电腐蚀。

2.支持自动回复GoodCRC报文

AW35615在收到PD报文并正确解码后，能够主动回复GoodCRC报文，而不用等待策略层的指令，提高系统运行效率。

3.自带WAKE低功耗检测模式

此模式下AW35615的CC线在待机状未连接态下将不进行toggle以降低功耗。

4.支持附件模式 AW35615可支持附件模式如Audio Accessory以实现对于模拟耳机的识别，同时也支持Debug Accessory。

5.支持Alt Mode AW35615支持进行VDM类型报文的交互，可用于Type-C接口的DP模式切换等拓展应用。 6.CC端口过压保护功能 由于Type-C接口中CC和VBUS较为接近，因为在使用中或有短路的情况发生，此时CC端口的自带的OVP功能能够保护芯片内部模块不被高压损坏。

除此以外，AW35615还推出了两种不同封装的产品以兼容各类应用场合，其主要参数如下：

除了AW35615，艾为还在快充领域进行持续拓展，后续也会有集成更多、更新协议的快充芯片面世，以更全面地覆盖客户更多的应用场景，满足客户的不同需求，敬请期待！

审核编辑：汤梓红