作者：托馬獅

隨著電子設備及其技術的迅速發展，如今的電子產品的小型化、無線化等趨勢以及內置功能的不斷增加，無一不對電子產品的電池續航帶來了巨大的挑戰。而當前，受限于電池技術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備續航問題的優選之一。于是，快充技術應運而生。

快充及其實現原理

快充的官方定義為“從初始充電狀態開始至充電30分鐘，通過提高供電設備的輸出電壓或電流，實現進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，快充常見有兩種實現方式：高輸出電壓、大輸出電流。

那么供電設備（Source）如何知道用電設備（Sink）具體需要什么樣的充電電壓和充電電流呢？這時，充電協議就需要“出場”了。

兩臺設備之間基于充電協議規范，通過電平或者報文等方式進行通信協商，最終確定一個雙方都接受的充電規格，這就是充電協議的作用。

關于PD協議

如今市面上有許多不同的充電協議，其中由USB-IF組織推出的PD協議借著Type-C接口的推廣和覆蓋，正逐漸成為最主流和兼容性最強的協議之一。

PD的全名叫做Power Delivery，是USB-IF協會借Type-C接口的普及而實現充電協議大一統而提出的充電規范。理想情況下，只要設備（筆記本、平板、手機不限）支持PD，都可以通過一根Type-C線與PD充電器來實現快速充電。

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

當Source(SRC)和Sink(SNK)通過Type-C接口和線纜相連時，位于SRC和SNK設備中的PD PHY芯片利用Type-C接口中的CC1和CC2來實現Type-C檢測和PD協議協商等一系列工作。以艾為PD PHY芯片AW35615為例，其基于PD3.0協議，能夠進行Type-C插入檢測、接口方向檢測，并集成VCONN限流保護、CC過壓保護、VBUS Discharge功能，具備Wake低功耗檢測模式，支持PPS以及最高100W的PD功率協商。

接下來，小為將以艾為AW35615為例，為大家簡單介紹一下PD協商的完整過程。

基于PD PHY芯片進行的PD協商

當使用C-to-C的線纜連接SRC和SNK時，首先會進行基于Type-C接口的連接檢測，稱為Type-C檢測。在這個階段，使用Type-C接口的兩個設備之間會通過CC線的狀態來判斷連接狀態以及進行基礎的5V供電。

在Type-C檢測完成后，下一步就是進行PD協商來進入PD快充。

PD協議的物理層實現由線纜兩端設備的PD PHY芯片通過CC線上的報文交互進行。艾為AW35615支持當前最常用的PD3.0協議，最高可實現高達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步長進行實時步進調節。這一功能使得PD協議不再只支持固定的幾個電壓擋位，而是適配此范圍內的任何電壓需求。

AW35615支持包含了PPS供電類型的PD3.0協議，因此可以滿足用電設備在此電壓范圍內的任何VBUS電壓需求。尤其是在例如開關電容充電芯片這類需要根據電池電壓動態調節VBUS電壓的應用場合，AW35615的PPS功能可以完全滿足其對于VBUS電壓調節的需求，協助充電芯片實現高效率快充。

常見的PD互連系統簡要框圖如下所示：

SRC端和SNK端的PD PHY通過C to C的線纜中的CC線進行連接，進行協商后將協商的充電需求結果反饋給MCU，再由SRC端MCU對BUCK-BOOST進行配置，以及SNK端MCU對Charger進行配置，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快充的基礎是Type-C檢測，因此在PD協商前首先會進行Type-C檢測，完成后再進行更高級的PD協議協商，進一步提高充電電壓。

因此Type-C的PD快充與以往USB-A的充電過程的區別在于：Type-C檢測完成前，VBUS不進行供電，避免了在正確連接前可能出現的短路等問題；Type-C檢測后，VBUS僅進行5V供電，PD協商后，VBUS提高至需求電壓。

PD協議的協商由Source端和Sink端的PD PHY在CC線上以收發報文的形式進行，報文使用4b5b編碼方式。

PD協議的完整系統包含策略層、協議層、物理層。其中策略層負責制定充電策略，管理充電規格，這部分一般由系統中的SOC進行實現；協議層按照策略層指令構建對應的協議報文，解析由物理層傳遞來的報文，并將內容反饋至策略層，處理GoodCRC和重發機制；物理層則對于協議層發來的報文進行CRC校驗，進行4b5b編碼并將報文從CC發出，或是對CC線上發來的報文進行5b4b解碼以及CRC校驗，并將解碼后的內容反饋至協議層。

艾為AW35615作為一款支持PD3.0的PD PHY，可實現如下功能：

1.物理層的數據編碼、解碼、CRC校驗功能

2.協議層中構建、解析報文并傳遞給物理層

3.處理GoodCRC以及重發報文

PD協議協商時，由主機對AW35615的FIFO進行讀寫實現PD數據的通信。流程如下圖所示：

發送數據時，主機通過I2C將數據緩存至TX_FIFO中，再使能TX發送，進行物理層編碼后發送至CC線；接收數據時，AW35615將CC線接收到的數據經過物理層解碼后緩存至RX_FIFO中，主機通過I2C訪問RX_FIFO。

PD協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商過程如下所示：

1. 首先由Source端在CC線上發送Source_Cap報文，對自己可支持的供電類型和擋位進行廣播。

2.當SNK端成功接收到Source_Cap并解碼成功時，回復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Request報文來進行請求。當Source端成功接收到Request并解碼成功時，回復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Accept表示接收。SNK接收到后回復GOODCRC。

5.SRC端調整VBUS電壓到SNK請求的功率，然后發送PS_RDY。SNK收到后回復GOODCRC。

至此VBUS電壓已調整為SNK端需求的電壓擋位，PD功率協商完成。

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商一次完成后電壓即固定，PPS擋位下，SRC和SNK會不斷地進行交互，協議要求SRC和SNK之間每10s內需要進行一次功率協商，以確保充電狀態的安全以及實時進行電壓的調節。

PPS模式下，每一次功率協商時SNK可以需求SRC端的VBUS電壓以20mV的步長進行步進調節，因此PPS模式下SNK端可以需求3-20V范圍內的任意VBUS電壓。AW35615在這一模式配合開關電容充電芯片，可以實現VBUS電壓跟隨電池電壓同步上升，以實現高效率的快速充電。

AW35615作為一顆支持PD3.0的PD PHY芯片，除了基礎的PD協議協商功能，還集成了一些增強保護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GoodCRC報文

AW35615在收到PD報文并正確解碼后，能夠主動回復GoodCRC報文，而不用等待策略層的指令，提高系統運行效率。

3.自帶WAKE低功耗檢測模式

此模式下AW35615的CC線在待機狀未連接態下將不進行toggle以降低功耗。

4.支持附件模式 AW35615可支持附件模式如Audio Accessory以實現對于模擬耳機的識別，同時也支持Debug Accessory。

5.支持Alt Mode AW35615支持進行VDM類型報文的交互，可用于Type-C接口的DP模式切換等拓展應用。 6.CC端口過壓保護功能 由于Type-C接口中CC和VBUS較為接近，因為在使用中或有短路的情況發生，此時CC端口的自帶的OVP功能能夠保護芯片內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品以兼容各類應用場合，其主要參數如下：

除了AW35615，艾為還在快充領域進行持續拓展，后續也會有集成更多、更新協議的快充芯片面世，以更全面地覆蓋客戶更多的應用場景，滿足客戶的不同需求，敬請期待！

審核編輯：湯梓紅