【技術文章】Power Delivery 的源起與規格

Granite River Labs, GRL
Cindy Chang 張文馨

 

        過往產品的充電裝置多由各家廠牌使用各自的介面,導致裝置汰換時將造成許多浪費。由於 USB 的普及,市面大部分的產品都透過此介面傳輸資料,進而促使人們欲提升 USB 供電能力的想法。過去即使透過 USBBattery Charging 1.2 (BC 1.2) 方式最多也只能提供 7.5W (5V 1.5A),則電子產品需要較長的時間來充電。

        USB-IF (USB Implementers Forum) 於 2012 年發表第一版 USB Power Delivery 規範 (USB Power Delivery Specification Revision 1.0, Version 1.0),其規格使供電能力大幅提升到最高 100W (20V 5A)。隨著更多功能的加入,規範不斷更新,現已來到 USB Power Delivery Specification Revision 3.0 (後續以 PD 及 PD Spec 簡稱)。

        隨發展越來越成熟,Type-C 介面漸漸成為市面上的主流,且多數產品支援 PD,這些產品使用
Configuration Channel (CC) pin 傳輸 PD 溝通的訊息與協議,透過 VBUS 腳位供電。以下將從 Type-C 架構簡介開始,逐步了解 PD 概念。

 

◼ Type-C 架構 (Source/Sink Detection)

供電端耗電端區分 Power 角色,廣義可分為下列三種:

Power 角色 定義
Source 具有供電能力的供電端,CC pin 上設置有 Rp
Sink 耗電的一端,CC pin 上設置有 Rd
DRP 同時具有作為 Source 和 Sink 功能,CC pin 上同時設有 Rp 與 Rd

對接的兩端透過 CC 與 VBUS 偵測是否有合適的裝置連接上:

1. Source:
監測 CC pin 電壓,當 Source 偵測到 CC pin 上 Rd,表示接上 Sink,則 Source 會在 VBUS 輸出 5V

2. Sink:
偵測 VBUS,有 5V 時可知此時連接上 Source

圖 1:PD 溝通前,Type-C 連接示意圖(取自 Type-C Cable and Connector Spec)

 

◼ PD 架構

        以 Source 端舉例說明,Device Policy Manager 主要負責監控裝置整體使用狀況,工作包含:控制 Power Source 和 USB-C Port Control 模組,並與 Policy Engine 合作以調節電源分配,每個埠根據被分配到的資源與其對接的裝置協議。USB-C Control 則控制前一小節所述 Source/Sink Detection 部分,之後 PD 行為的控制由 Physical Layer (PHY Layer)、Protocol、Policy Engine 三部分共同合作,最後由 Power Source 透過 VBUS 供電給對方。

圖 2:USB PD 架構示意圖(取自 PD 3.0 Spec)

 

  • Policy Engine

向上提供 Device Policy Manager 個別埠的狀態,使 Policy Manager 可以即時整合與更新裝置狀態並重新調配資源予每個埠。
向下依據政策判斷如何發送與回應收到的 PD 訊息,並指示 Protocol Layer 建構訊息。

 

  • Protocol Layer

傳送訊息端:接收 Policy Engine 的指示建構所需訊息交給 PHY Layer,並藉由對方回傳 GoodCRC 確認訊息有正確送出,否則視為傳送失敗,適用重新發送(Retry)機制。

接收訊息端:收到 PHY Layer 傳來的訊息,解讀該訊息並將資訊向上呈報給 Policy Engine,在做相對回應前,先建構 GoodCRC 訊息讓 PHY 回送給對方,表示訊息已正確收到並解讀。

同時裝置雙方的 Protocol Layer 需各自計算對方是否在要求時間內有正確的回應 (Timer check)。
若以上確認內容有偵測到任何錯誤,任一方的 Protocol Layer 可發起 Reset 機制重整狀態:

重置類型 目的
Soft Reset Protocol Layer 重置 (包含 timer、counters、states),但不影響協議好的 Power、Data 角色,以及 Reset 前協議好的電壓電流。
Hard Reset 當 Soft Reset 無法解決當前錯誤時使用。除了 Power 角色外,所有的 PD 協議都重新來過,過程中 Source 端會暫時將 VBUS 電壓關掉至 0 V,再重新打開至 5V 並重新與 Sink 協議。
Cable Reset 只有 Host 端的 DFP 可以發起 Cable Reset,用意在重置與線材的溝通。
Data Reset 重置 USB Data 裝置,重置後兩端裝置將不在 Alternate Mode 中。

 

  • PHY Layer

把 Protocol 層送來的訊息再加工,加上以 4b5b 方式編碼的 SOP*、CRC、EOP 以及 Preamble,組成一完整的訊息,透過 CC 以 BMC 方式傳送給對方。

圖 3:PD 訊息格式示意圖(取自 PD 3.0 Spec)

 

反之,收到訊息時,PHY 要先驗證收到的訊息 CRC,若正確就將訊息向上回傳給接收端的 Protocol Layer。

圖 4:PHY Layer 傳送訊息流程示意圖(取自 PD 3.0 Spec)

 

下圖以 Source Capabilities 訊息為例,簡單表示上述內容中的傳送端、接收端,以及訊息的傳送流程:

USB, USB-IF, Type-C, PD, Power Delivery, CC, VBUS, PD Source, PD Sink, CC pin, Protocol, PHY, LinkLayer, GoodCRC, Source Capability, e-Marker, Implicit PD Contract, PD 3.0, PDO, BC1.2

圖 5

由上述可以看到對接的兩端裝置 PD 訊息都靠同一條路線 (CC) 傳送,為避免兩端同時傳訊息,Source 的
Protocol 有 Collision Avoidance 機制可以透過指示 PHY 控制 Rp 設定,告訴 Sink 當下是否可以只針對 Source 訊息回應。

Collision Avoidance 機制設定
Rp 設定 參數 用意
5V 1.5A SinkTxNG Sink 只能針對 Source 端發起的訊息做回應
5V 3A SinkTxOK Sink 可以主動發起訊息與 Source 溝通

 

◼ PD 協議

1. SOP* Communication

在了解如何溝通之前,先了解 PD 訊息傳送的對象可分為三種–SOP、SOP’、SOP’’。

圖 6:SOP/ SOP’/ SOP’’ 溝通示意圖(取自 PD 3.0 Spec)

 

Source 與 Sink 之間使用 SOP 訊息,靠近 Vconn Source (負責供電給線材中 e-Marker) 訊息使用 SOP’,與較遠端 e-Marker 的訊息則用 SOP’’。

* 並非每一條線材都有搭載 e-Marker,若該線材支援 SuperSpeed 或大於 3 安培的電流,依規定就必須有 eMarker

 

2. Explicit PD Contract

Source/Sink 供電協議會受到中間線材條件限制,舉例來說,若 source 電流最高可供 5A,但使用的線材最多只能承受 3A 的電流,那麼 source 就不能以 5A 的條件與 Sink 協議。通常 Source 會先以 SOP’ 發送 Discover ID Request,並透過 e-Marker 回傳的 Discover ID ACK 讀取線材資訊。

 

USB, USB-IF, Type-C, PD, Power Delivery, CC, VBUS, PD Source, PD Sink, CC pin, Protocol, PHY, LinkLayer, GoodCRC, Source Capability, e-Marker, Implicit PD Contract, PD 3.0, PDO, BC1.2

圖 7:使用 GRL-A1 解譯 Discover ID ACK 內容

 

Source 參考線材可支援的條件,送出 Source Capabilities 給 Sink 表示當下狀態的供電能力,Sink 會依需求從中選擇且回 Request 向 Source 要求當下需要的電壓電流,Source 收到後確認可以此條件供電就會回覆Accept,並且在狀態準備好之後再發 PS RDY。至此步驟 Explicit PD Contract 完成,在這之後雙方可再視狀況,重新協議新的 PD contract。

USB, USB-IF, Type-C, PD, Power Delivery, CC, VBUS, PD Source, PD Sink, CC pin, Protocol, PHY, LinkLayer, GoodCRC, Source Capability, e-Marker, Implicit PD Contract, PD 3.0, PDO, BC1.2

圖 8:Explicit PD Contract 流程示意圖

 

◼ Source Capabilities

對於 Source Capabilities 的規格,PD 規範有相關章節說明規則,以下整理自 PD 1.0 至 PD 3.0 對其的規範:

  • USB PD 1.0

沒有強制要求供電端的規格,僅參考大部分產品的充電需求,列出幾種建議設定。

* 為符合國際安全標準,供電能力限制上限 100 瓦且電流不超過 5 安培為限。

Profile Power
0 Reserved
1 5V @ 2.0A
2 5V @ 2.0A, 12V @ 1.5A
3 5V @ 2.0A, 12V @ 3A
4 5V @ 2.0A, 12V @ 3A and 20V @ 3A
5 5V @ 2.0A, 12V @ 5A and 20V @ 5A

表 1:PD 1.0 建議供電規格(取自 PD 1.0 Spec)

 

  • USB PD 2.0

USB PD 2.0 開始,規格中明確要求作為供電端時,產品需要滿足以下表格中條件。以最大可達
36W 為例,需設定 5V 3A、9V 3A、15V 2.4A 組合的供電能力,這個條件會在 Source Capabilities 中
的 PDO (Power Data Object) 欄位列出。
各產品可再依需求增加表格外的其他組合,以不超過 7 組為限。

表 2:PD 2.0 供電規格規範(取自 PD 2.0 Spec)

* 2020 年 8 月後,USB-IF 已終止所有只支援到 PD 2.0 產品的認證。

 

  • USB PD 3.0

USB PD 3.0 的供電規格如下,新增了一項選配的 PPS (Programmable Power Supply) 功能。在 PPS 模式中,可以步階 20 mV/step 調整電壓,且電壓範圍擴展到 3.3 V 至 21 V,這項技術的應用可在更低的電壓輸出大電流,大幅提升了充電的效率。

為區分 PD 2.0 既有模式以及 PD 3.0 新增的 PPS 模式,在下表的規則中 PDO 又可分成:

(1) Fixed Supply PDO (通常簡稱 Fixed PDO),指固定電壓輸出的模式
(2) Augmented PDO (通常簡稱 APDO),指 PPS 模式底下,電壓可以在一定範圍區間內調整輸出

同樣以 36W 為例,若產品欲支援 PPS (Optional),則需包含:

(1) Fixed PDO:5V@3A、9V@3A、15V@2.4A
(2) APDO:3.3V ~ 11V (9V Prog)@3A、3.3~16V (15V Prog)@2.4A

其中因為 5V Prog 已經包含在 9V Prog 規格中,若非兩組 APDO 電流有不同的設定,可以選擇不再
另外列出。

表 3:PD 3.0 供電規格規範(取自 PD 3.0 Spec)

 

參考文獻

  • USB Type-C® Cable and Connector Specification Revision 2.0
  • USB Power Delivery Specification Revision 1.0 Version 1.2
  • USB Power Delivery Specification Revision 2.0 Version 1.3
  • USB Power Delivery Specification Revision 3.0 Version 2.0

 

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作者
GRL台灣測試工程師 張文馨 Cindy Chang

畢業於國立成功大學材料所。
具三年多的 Power Delivery 相關測試經驗,熟悉 Thunderbolt PD、USB-IF PD Compliance、QC (Qualcomm Quick Charge) 等測試規範。目前在 GRL 台灣負責 PD 測試,樂於協助客戶 PD 方面的問題,以順利取得認證。

 

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                         發佈日期 2021/03/24 AN-210324-TW