本文結合實際項目，完成了一套完整的基於PD協(xie)議(yi)的(de)手(shou)機(ji)快(kuai)充(chong)係(xi)統(tong)，包(bao)括(kuo)了(le)手(shou)機(ji)和(he)充(chong)電(dian)器(qi)的(de)軟(ruan)硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)
，靈(ling)活(huo)的(de)可(ke)編(bian)程(cheng)充(chong)電(dian)協(xie)議(yi)和(he)完(wan)善(shan)的(de)充(chong)電(dian)流(liu)程(cheng)。此(ci)方(fang)案(an)已(yi)經(jing)成(cheng)功(gong)地(di)應(ying)用(yong)到(dao)知(zhi)名(ming)品(pin)牌(pai)的(de)手(shou)機(ji)產(chan)品(pin)中(zhong)，取(qu)得(de)了(le)很(hen)好(hao)的(de)效(xiao)果(guo)。

 

 

典型的手機充電器的硬件結構（以基於Dialog方案的高通QC2.0快充協議為例）如圖 1所示。iW626作為QC2.0協議控製器
，經由USB口的D+/D-信號和手機側AP進行供電協商，然後通過光耦控製原邊的AC/DC控製器iW1780完成輸出電壓的調整。

 

圖1.基於Dialog方案的高通QC2.0快充協議的充電器硬件框圖

 

基於PD協議的充電器電路可以維持AC/DC部分不變
，隻是將QC協議控製器替換為PD控製器[1]，比如Cypress半導體的CCG2（Type-C Controller Generation 2）. CCG2 是最早通過USB-IF認證的PD控製器之一
，內部包含ARM® Cortex®-M0處理器和完備的PD協議收發器
，可以滿足充電器，主機，附件，EMAC線纜等各種支持Type-C口的應用，在蘋果，聯想，HP

，Dell，小米，樂視等一線品牌客戶都有眾多的量產案例。

 

采用CCG2PD控製器和Dialog AC/DC控製器的充電器電路簡圖如圖 2所示，CCG2通過Type-C口的CC信號和手機AP進行PD協議溝通
，然後通過PWM控製光耦將電壓和電流需求反饋到AC/DC進行輸出調節。CCG2會通過采樣VBUS來保證PD協議狀態機的可靠運轉，並且根據PD狀態通過MOSFET控製VBUS的通斷。另外CCG2也可以通過D+/D-支持QC3.0協議, 在同一個Type-C口上實現PD和QC的共存（實際工作時兩者不能同時起用

，用戶可以定義優先級和使能策略）。PD快充除了可以進行調壓充電，還可以進行電流調節，實現電流精調或者大電流充電甚至直充。CCG2可以使用內部ADC進行電壓電流采樣，進行閉環控製和OVP/OCP/UVP保護。CCG2的保護機製是軟件控製的，因此實時性不夠，可以充當AC/DC控製器保護的輔助或者冗餘。Cypress的第三代PD控製器CCG3在精簡BOM的同時
，集成了內部硬件的OCP/OVP等保護機製
，提高了ADC精度
，提供了最優的大電流直充方案，已經在多個手機客戶開始了評估設計。

 

圖2.基於Cypress CCG2方案的PD和QC快充協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控製器 CCG2。手機側芯片支持死電池（Dead Battery）充電，同時采用了1.6mm*2.0mm 的CSP封裝
，外部器件也僅有幾個電阻電容，節省了布局布線麵積[2]
；充電器則采用QFN封裝的芯片
，降低貼片和測試成本，並且解決了無220V AC輸入時連接手機的漏電問題。 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子係統，如圖 3所示。該子係統包含一個USB Type-C收發器和物理層邏輯，收發器執行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)，無需複雜的外圍電阻或者電流源陣列。CCG2可以支持PD2.0的所有協議以及PD3.0在充電領域的協議

，足以滿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
，可以實現對於電壓電流的數據采集
，實現AC/DC之前的另一級閉環控製或者監控，實現完美的TYPE-C端口供電控製解決方案。

 

圖3.CCG2控製器的USB-PD子係統

 

另外，CCG2采用了賽普拉斯的典型PSoC架構（PSoC Programmable System on Chip），在一個MCUneihezhouweijichenglefengfudekepeizhidemoniheshuziwaiweiqijianzhenlie，liyongxinpianneibudekebianchenghulianzhenlie
，yonghukeyizhiguanyouxiaodigenjushijixuqiupeizhixinpianshangdemoniheshuziziyuan，shixiandingzhihuadeqianrushixitong。yigePSoC器件最多可集成上百種外設功能，從而幫助客戶節約設計時間和板上麵積，降低了功耗和係統成本。

 

 

PD充電係統從低到高整體分為三個層次：Type-C連接層，PD協議層和充電策略層。Type-C 連接層需要保證Type-C設備互聯時能正確穩定建立連接關係，並且避免出現協商過程、角色確認、供電輸出等環節的反複
；PD協議層提供了連接雙方溝通的鏈路和規範；充電策略是核心技術，需要手機開發者根據長期的經驗積累和實際項目測試來設計和不斷優化。充電策略程序根據電池
、溫度等信息和期望充電曲線才能電壓電流需求
，通過HPI接口傳遞給PD層
，然後通過Type-C的CC信號傳遞給充電器並接收充電器反饋。

 

基於PD協議的充電器軟件控製流程如圖 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


，配置完成之後，使能中斷
，進行主循環。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後，在完成數據和供電關係判定之後，作為供電設備的充電器會打開MOSFET輸出VBUS為5V
，suihoubianhuiguangbogongdiannengli。shoujihuigenjudingyihaodeshoudiannenglixuanzedianyadianliu，chongdianqigenjushoudaodegongdianqingqiulaipandingshifoukeyimanzu，jinerfasongjieshouhuojujuexinxi。ruguochongdianqikeyitigongshoujiqingqiudedianyadianliu，jiuhuixiangyingdekongzhiAC/DC調整輸出的電壓電流能力並且設置相應的電壓電流保護值，並在調整完成之後
，發送供電準備好的信息，此時標準的PD協商充電就完成了。

 

在此之後，客製化的
、針對各家手機廠的產品特性的私有化充電流程就可以啟動了
，如（c）所示。私有化充電流程是通過充電器與手機AP基於非結構化的定製化信息（Unstructured VDM）或者可編程PDO進jin行xing溝gou通tong完wan成cheng的de。為wei了le安an全quan起qi見jian

，進jin行xing私si有you供gong電dian協xie商shang之zhi前qian

，本ben設she計ji進jin行xing了le充chong電dian器qi和he手shou機ji的de相xiang互hu身shen份fen確que認ren
，隻zhi有you匹pi配pei的de雙shuang方fang才cai可ke以yi進jin行xing客ke製zhi化hua的de快kuai速su充chong電dian。當dang然ran，在zai越yue來lai越yue多duo的de設she備bei支zhi持chiPD充電，以及PD協議的不斷完善的未來，私有化的充電將逐漸被統一的、靈活的公有充電協商機製所取代
，實現不同種類
、不同廠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後

，手機端發起數據角色交換的指令（Date Role Swap），從而使手機成為主設備，充分發揮手機AP處(chu)理(li)能(neng)力(li)強(qiang)和(he)獲(huo)取(qu)信(xin)息(xi)多(duo)的(de)優(you)勢(shi)，根(gen)據(ju)電(dian)池(chi)電(dian)量(liang)，係(xi)統(tong)溫(wen)度(du)以(yi)及(ji)預(yu)置(zhi)充(chong)電(dian)曲(qu)線(xian)等(deng)信(xin)息(xi)
，主(zhu)動(dong)向(xiang)充(chong)電(dian)器(qi)發(fa)送(song)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)壓(ya)電(dian)流(liu)調(tiao)整(zheng)指(zhi)令(ling)。充(chong)電(dian)器(qi)則(ze)根(gen)據(ju)手(shou)機(ji)側(ce)的(de)指(zhi)令(ling)調(tiao)整(zheng)電(dian)壓(ya)、電流以及設置相應的保護值
，完成調整之後，再發送確認指令給手機，以此來確保電壓電流調整的正確性。

 

 

為了更加有效開發和準確驗證基於控製流程的協議溝通
，本文采用賽普拉斯研發的PD協議分析儀CY4500 EZ-PD™ Protocol Analyzer。CY4500 協議分析儀通過抓取配置通道（CC，Configuration Channel）上的數據包
，並通過USB接口發送到主機端，通過軟件EZ-PD Analyzer Utility解碼並顯示PD協議包。CY4500不僅可以實時顯示並解析PD通信包，而且還實時測量電力傳輸過程中的電壓和電流值
，進而縮短了開發周期，對於調試以及兼容性測試幫助非常大。

 

圖4.基於Cypress CCG2方案的PD協議的充電器軟件控製流程圖

 

本文利用CY4500記錄了充電過程中的標準PD協商供電以及私有化充電通信過程
，如圖 5所示，而在此過程中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，手機回複供電請求（Request），選擇9V，隨後充電器回複接受信息（Accept），並且將電壓調整至9V
，發送供電準備好信息（PS_RDY）。可以從Vbus（mv）一欄，看出在整個協商通信過程中的電壓變化情況
，發送PS_RDY時，電壓已經調整至9V。標準PD協商供電之後，本位采用加密的非結構化的定製化信息（Unstructured VDM）進行私有化驗證，驗證通過之後手機端發起數據角色交換的指令（DR_SWAP），從而成為數據主設備
，再發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.基於Cypress CCG2方案的PD協議的充電器供電協商通信過程

 

圖6.基於Cypress CCG2方案的PD協議的充電器供電協商波形

 

 

本文針對客戶需求，和客戶以及充電器廠商緊密配合
，根據具體手機項目，使用賽普拉斯PD控製器CCG2設計出了一套基於PD2.0協議的快速充電係統

，包括PD充電器
，手機側PD控製電路和AP驅動
，PD控製程序和充電算法，經過數月的調試改進，實現了各種情況下穩定的Type-C連接和高於QC3.0充電效率和可靠性的充電策略
，實現了量產和上市，並為下一步基於PD協議的電池直充方案奠定了基礎。