本文結合實(shí)際項目，完成了一套完整的基于PD協(xié)議的手機快充系統，包括了手機和充電器的軟硬件設計，靈活的可編程充電協(xié)議和完善的充電流程。此方案已經(jīng)成功地應用到知名品牌的手機產(chǎn)品中，取得了很好的效果。

 

 

典型的手機充電器的硬件結構（以基于Dialog方案的高通QC2.0快充協(xié)議為例）如圖 1所示。iW626作為QC2.0協(xié)議控制器，經(jīng)由USB口的D+/D-信號和手機側AP進(jìn)行供電協(xié)商，然后通過(guò)光耦控制原邊的AC/DC控制器iW1780完成輸出電壓的調整。

 

圖1.基于Dialog方案的高通QC2.0快充協(xié)議的充電器硬件框圖

 

基于PD協(xié)議的充電器電路可以維持AC/DC部分不變，只是將QC協(xié)議控制器替換為PD控制器[1]，比如Cypress半導體的CCG2（Type-C Controller Generation 2）. CCG2 是最早通過(guò)USB-IF認證的PD控制器之一，內部包含ARM® Cortex®-M0處理器和完備的PD協(xié)議收發(fā)器，可以滿(mǎn)足充電器，主機，附件，EMAC線(xiàn)纜等各種支持Type-C口的應用，在蘋(píng)果，聯(lián)想，HP，Dell，小米，樂(lè )視等一線(xiàn)品牌客戶(hù)都有眾多的量產(chǎn)案例。

 

采用CCG2PD控制器和Dialog AC/DC控制器的充電器電路簡(jiǎn)圖如圖 2所示，CCG2通過(guò)Type-C口的CC信號和手機AP進(jìn)行PD協(xié)議溝通，然后通過(guò)PWM控制光耦將電壓和電流需求反饋到AC/DC進(jìn)行輸出調節。CCG2會(huì )通過(guò)采樣VBUS來(lái)保證PD協(xié)議狀態(tài)機的可靠運轉，并且根據PD狀態(tài)通過(guò)MOSFET控制VBUS的通斷。另外CCG2也可以通過(guò)D+/D-支持QC3.0協(xié)議, 在同一個(gè)Type-C口上實(shí)現PD和QC的共存（實(shí)際工作時(shí)兩者不能同時(shí)起用，用戶(hù)可以定義優(yōu)先級和使能策略）。PD快充除了可以進(jìn)行調壓充電，還可以進(jìn)行電流調節，實(shí)現電流精調或者大電流充電甚至直充。CCG2可以使用內部ADC進(jìn)行電壓電流采樣，進(jìn)行閉環(huán)控制和OVP/OCP/UVP保護。CCG2的保護機制是軟件控制的，因此實(shí)時(shí)性不夠，可以充當AC/DC控制器保護的輔助或者冗余。Cypress的第三代PD控制器CCG3在精簡(jiǎn)BOM的同時(shí)，集成了內部硬件的OCP/OVP等保護機制，提高了ADC精度，提供了最優(yōu)的大電流直充方案，已經(jīng)在多個(gè)手機客戶(hù)開(kāi)始了評估設計。

 

圖2.基于Cypress CCG2方案的PD和QC快充協(xié)議的充電器硬件框圖

 

 

本設計在充電器和手機側都采用了賽普拉斯第二代Type-C PD控制器 CCG2。手機側芯片支持死電池（Dead Battery）充電，同時(shí)采用了1.6mm*2.0mm 的CSP封裝，外部器件也僅有幾個(gè)電阻電容，節省了布局布線(xiàn)面積[2]；充電器則采用QFN封裝的芯片，降低貼片和測試成本，并且解決了無(wú)220V AC輸入時(shí)連接手機的漏電問(wèn)題。 CCG2使用了帶有 32 KB閃存的 32 位48 MHz ARM® Cortex®-M0 處理器，具有完備的USB-PD子系統，如圖 3所示。該子系統包含一個(gè)USB Type-C收發(fā)器和物理層邏輯，收發(fā)器執行BMC 和4b/5b 編碼、解碼功能以及1.2 V的前端偏置，而且還集成了完成TYPE-C連接所需的終端電阻RP (DFP)、RD (UFP)和RA (EMCA)，無(wú)需復雜的外圍電阻或者電流源陣列。CCG2可以支持PD2.0的所有協(xié)議以及PD3.0在充電領(lǐng)域的協(xié)議，足以滿(mǎn)足快速充電或者直充的需求。CCG2內部的高精度SAR（逐次逼近寄存器）ADC，可以實(shí)現對于電壓電流的數據采集，實(shí)現AC/DC之前的另一級閉環(huán)控制或者監控，實(shí)現完美的TYPE-C端口供電控制解決方案。

 

圖3.CCG2控制器的USB-PD子系統

 

另外，CCG2采用了賽普拉斯的典型PSoC架構（PSoC Programmable System on Chip），在一個(gè)MCU內核周?chē)闪素S富的可配置的模擬和數字外圍器件陣列，利用芯片內部的可編程互聯(lián)陣列，用戶(hù)可以直觀(guān)有效地根據實(shí)際需求配置芯片上的模擬和數字資源，實(shí)現定制化的嵌入式系統。一個(gè)PSoC器件最多可集成上百種外設功能，從而幫助客戶(hù)節約設計時(shí)間和板上面積，降低了功耗和系統成本。

 

 

PD充電系統從低到高整體分為三個(gè)層次：Type-C連接層，PD協(xié)議層和充電策略層。Type-C 連接層需要保證Type-C設備互聯(lián)時(shí)能正確穩定建立連接關(guān)系，并且避免出現協(xié)商過(guò)程、角色確認、供電輸出等環(huán)節的反復；PD協(xié)議層提供了連接雙方溝通的鏈路和規范；充電策略是核心技術(shù)，需要手機開(kāi)發(fā)者根據長(cháng)期的經(jīng)驗積累和實(shí)際項目測試來(lái)設計和不斷優(yōu)化。充電策略程序根據電池、溫度等信息和期望充電曲線(xiàn)才能電壓電流需求，通過(guò)HPI接口傳遞給PD層，然后通過(guò)Type-C的CC信號傳遞給充電器并接收充電器反饋。

 

基于PD協(xié)議的充電器軟件控制流程如圖 4所示，主要包括標準PD充電流程，私有化充電流程以及電壓電流保護。主程序流程為（a）所示，包括外設的初始化和子程序的初始化，配置完成之后，使能中斷，進(jìn)行主循環(huán)。標準PD充電流程為（b）所示，作為用電設備的手機插入充電器之后，在完成數據和供電關(guān)系判定之后，作為供電設備的充電器會(huì )打開(kāi)MOSFET輸出VBUS為5V，隨后便會(huì )廣播供電能力。手機會(huì )根據定義好的受電能力選擇電壓電流，充電器根據收到的供電請求來(lái)判定是否可以滿(mǎn)足，進(jìn)而發(fā)送接受或拒絕信息。如果充電器可以提供手機請求的電壓電流，就會(huì )相應的控制AC/DC調整輸出的電壓電流能力并且設置相應的電壓電流保護值，并在調整完成之后，發(fā)送供電準備好的信息，此時(shí)標準的PD協(xié)商充電就完成了。

 

在此之后，客制化的、針對各家手機廠(chǎng)的產(chǎn)品特性的私有化充電流程就可以啟動(dòng)了，如（c）所示。私有化充電流程是通過(guò)充電器與手機AP基于非結構化的定制化信息（Unstructured VDM）或者可編程PDO進(jìn)行溝通完成的。為了安全起見(jiàn)，進(jìn)行私有供電協(xié)商之前，本設計進(jìn)行了充電器和手機的相互身份確認，只有匹配的雙方才可以進(jìn)行客制化的快速充電。當然，在越來(lái)越多的設備支持PD充電，以及PD協(xié)議的不斷完善的未來(lái)，私有化的充電將逐漸被統一的、靈活的公有充電協(xié)商機制所取代，實(shí)現不同種類(lèi)、不同廠(chǎng)家的設備之間的自適應的智能高效充電。本設計在完成私有化驗證之后，手機端發(fā)起數據角色交換的指令（Date Role Swap），從而使手機成為主設備，充分發(fā)揮手機AP處理能力強和獲取信息多的優(yōu)勢，根據電池電量，系統溫度以及預置充電曲線(xiàn)等信息，主動(dòng)向充電器發(fā)送所需的電壓電流調整指令。充電器則根據手機側的指令調整電壓、電流以及設置相應的保護值，完成調整之后，再發(fā)送確認指令給手機，以此來(lái)確保電壓電流調整的正確性。

 

 

為了更加有效開(kāi)發(fā)和準確驗證基于控制流程的協(xié)議溝通，本文采用賽普拉斯研發(fā)的PD協(xié)議分析儀CY4500 EZ-PD™ Protocol Analyzer。CY4500 協(xié)議分析儀通過(guò)抓取配置通道（CC，Configuration Channel）上的數據包，并通過(guò)USB接口發(fā)送到主機端，通過(guò)軟件EZ-PD Analyzer Utility解碼并顯示PD協(xié)議包。CY4500不僅可以實(shí)時(shí)顯示并解析PD通信包，而且還實(shí)時(shí)測量電力傳輸過(guò)程中的電壓和電流值，進(jìn)而縮短了開(kāi)發(fā)周期，對于調試以及兼容性測試幫助非常大。

 

圖4.基于Cypress CCG2方案的PD協(xié)議的充電器軟件控制流程圖

 

本文利用CY4500記錄了充電過(guò)程中的標準PD協(xié)商供電以及私有化充電通信過(guò)程，如圖 5所示，而在此過(guò)程中CC電平和VBUS電壓變化情況圖 6所示。首先作為供電方的充電器廣播供電能力（Source Capability）5V/3A， 9V/2.7A和12V/2A，手機回復供電請求（Request），選擇9V，隨后充電器回復接受信息（Accept），并且將電壓調整至9V，發(fā)送供電準備好信息（PS_RDY）?？梢詮腣bus（mv）一欄，看出在整個(gè)協(xié)商通信過(guò)程中的電壓變化情況，發(fā)送PS_RDY時(shí)，電壓已經(jīng)調整至9V。標準PD協(xié)商供電之后，本位采用加密的非結構化的定制化信息（Unstructured VDM）進(jìn)行私有化驗證，驗證通過(guò)之后手機端發(fā)起數據角色交換的指令（DR_SWAP），從而成為數據主設備，再發(fā)送調節電壓電流指令，完成高效的充電策略。

QC3.0的充電比較普及，在此不做詳述。

           

圖5.基于Cypress CCG2方案的PD協(xié)議的充電器供電協(xié)商通信過(guò)程

 

圖6.基于Cypress CCG2方案的PD協(xié)議的充電器供電協(xié)商波形

 

 

本文針對客戶(hù)需求，和客戶(hù)以及充電器廠(chǎng)商緊密配合，根據具體手機項目，使用賽普拉斯PD控制器CCG2設計出了一套基于PD2.0協(xié)議的快速充電系統，包括PD充電器，手機側PD控制電路和AP驅動(dòng)，PD控制程序和充電算法，經(jīng)過(guò)數月的調試改進(jìn)，實(shí)現了各種情況下穩定的Type-C連接和高于QC3.0充電效率和可靠性的充電策略，實(shí)現了量產(chǎn)和上市，并為下一步基于PD協(xié)議的電池直充方案奠定了基礎。