【導讀】快速充電技術無疑是目前智能手機廠商研發和宣傳的重點之一，其方案包括高通的Quick Charge，聯發科的Pump Express，以及自主研發的私用技術等等。這些技術的充電協議不同，相互之間無法快速充電。隨著USB Type-C接口的普及，Power Delivery（PD） 協議不僅為包括手機在內的所有采用Type-C接口的電子設備提供了統一的快速充電標準，而且加速了電池直充方案的研發和普及。
本文結合實際項目，完成了一套完整的基于PD協議的手機快充系統，包括了手機和充電器的軟硬件設計，靈活的可編程充電協議和完善的充電流程。此方案已經成功地應用到知名品牌的手機產品中，取得了很好的效果。
一.PD充電器硬件結構
典型的手機充電器的硬件結構（以基于Dialog方案的高通QC2.0快充協議為例）如圖 1所示。iW626作為QC2.0協議控制器，經由USB口的D+/D-信號和手機側AP進行供電協商，然后通過光耦控制原邊的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快充協議的充電器硬件框圖
基于PD協議的充電器電路可以維持AC/DC部分不變，只是將QC協議控制器替換為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控制器和Dialog AC/DC控制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，然后通過PWM控制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，并且根據PD狀態通過MOSFET控制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，進行閉環控制和OVP/OCP/UVP保護。CCG2的保護機制是軟件控制的，因此實時性不夠，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BOM的同時，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.基于Cypress CCG2方案的PD和QC快充協議的充電器硬件框圖
二.TYPE-C PD 控制器
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子系統，如圖 3所示。該子系統包含一個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，可以實現對于電壓電流的數據采集，實現AC/DC之前的另一級閉環控制或者監控，實現完美的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MCU內核周圍集成了豐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陣列，用戶可以直觀有效地根據實際需求配置芯片上的模擬和數字資源，實現定制化的嵌入式系統。一個PSoC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面積，降低了功耗和系統成本。
三.PD充電的軟件實現
PD充電系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系，并且避免出現協商過程、角色確認、供電輸出等環節的反復；PD協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，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，然后通過Type-C的CC信號傳遞給充電器并接收充電器反饋。
基于PD協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后，在完成數據和供電關系判定之后，作為供電設備的充電器會打開MOSFET輸出VBUS為5V，隨后便會廣播供電能力。手機會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判定是否可以滿足，進而發送接受或拒絕信息。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。
在此之后，客制化的、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基于非結構化的定制化信息（Unstructured VDM）或者可編程PDO進行溝通完成的。為了安全起見，進行私有供電協商之前，本設計進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行客制化的快速充電。當然，在越來越多的設備支持PD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制所取代，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后，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處理能力強和獲取信息多的優勢，根據電池電量，系統溫度以及預置充電曲線等信息，主動向充電器發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，再發送確認指令給手機，以此來確保電壓電流調整的正確性。
四.PD充電過程和結果
為了更加有效開發和準確驗證基于控制流程的協議溝通，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，并通過USB接口發送到主機端，通過軟件EZ-PD Analyzer Utility解碼并顯示PD協議包。CY4500不僅可以實時顯示并解析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協議的充電器軟件控制流程圖
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協商供電之后，本位采用加密的非結構化的定制化信息（Unstructured VDM）進行私有化驗證，驗證通過之后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.基于Cypress CCG2方案的PD協議的充電器供電協商通信過程
圖6.基于Cypress CCG2方案的PD協議的充電器供電協商波形
五.總結
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控制器CCG2設計出了一套基于PD2.0協議的快速充電系統，包括PD充電器，手機側PD控制電路和AP驅動，PD控制程序和充電算法，經過數月的調試改進，實現了各種情況下穩定的Type-C連接和高于QC3.0充電效率和可靠性的充電策略，實現了量產和上市，并為下一步基于PD協議的電池直充方案奠定了基礎。
