pd充电器硬件结构
典型的手机充电器的硬件结构(以基于dialog方案的高通qc2.0快充协议为例)如图1所示。iw626作为qc2.0协议控制器,经由usb口的d+/d-信号和手机侧ap进行供电协商,然后通过光耦控制原边的ac/dc控制器iw1780完成输出电压的调整。
基于pd协议的充电器电路可以维持ac/dc部分不变,只是将qc协议控制器替换为pd控制器,比如cypress半导体的ccg2(type-ccontrollergeneration2)。ccg2是最早通过usb-if认证的pd控制器之一,内部包含arm®cortex®-m0处理器和完备的pd协议收发器,可以满足充电器,主机,附件,emac线缆等各种支持type-c口的应用,在苹果,联想,hp,dell,小米,乐视等一线品牌客户都有众多的量产案例。
图1基于dialog方案的高通qc2.0快充协议的充电器硬件框图
采用ccg2pd控制器和dialogac/dc控制器的充电器电路简图如图2所示,ccg2通过type-c口的cc信号和手机ap进行pd协议沟通,然后通过pwm控制光耦将电压和电流需求反馈到ac/dc进行输出调节。ccg2会通过采样vbus来保证pd协议状态机的可靠运转,并且根据pd状态通过mosfet控制vbus的通断。另外ccg2也可以通过d+/d-支持qc3.0协议,在同一个type-c口上实现pd和qc的共存(实际工作时两者不能同时起用,用户可以定义优先级和使能策略)。pd快充除了可以进行调压充电,还可以进行电流调节,实现电流精调或者大电流充电甚至直充。ccg2可以使用内部adc进行电压电流采样,进行闭环控制和ovp/ocp/uvp保护。ccg2的保护机制是软件控制的,因此实时性不够,可以充当ac/dc控制器保护的辅助或者冗余。cypress的第三代pd控制器ccg3在精简bom的同时,集成了内部硬件的ocp/ovp等保护机制,提高了adc精度,提供了最优的大电流直充方案,已经在多个手机客户开始了评估设计。
图2基于cypressccg2方案的pd和qc快充协议的充电器硬件框图
pd充电协议是什么
pd充电协议是usb-if组织公布的功率传输协议,它可以使目前默认最大功率5v/2a的type-c接口提高到100w,同时谷歌宣布android7.0以上的手机搭载的快充协议必须支持pd协议,意在统一快充市场。
pd协议快充什么意思
usb-powerdelivery(usbpd)是目前主流的快充协议之一。是由usb-if组织制定的一种快速充电规范。。usbpd透过usb电缆和连接器增加电力输送,扩展usb应用中的电缆总线供电能力。该规范可实现更高的电压和电流,输送的功率最高可达100瓦,并可以自由的改变电力的输送方向。
usbpd和type-c的关系。经常会有人把usbpd和type-c放在一起谈,甚至就把type-c充电器叫做pd充电器。usbpd和type-c其实是两码事,usbpd是一种快速充电协议,而type-c则是一种新的接口规范。type-c接口默认最大支持5v/3a,但在实现了usbpd协议以后,能够使输出功率最大支持到前文提到的100w。所以现在许多实用type-c接口的设备都会支持usbpd协议。
usbpd的发展前景。usbpd现在已经发展到了usbpd3.0版本。在谷歌的推动下目usbpd已经收编了高通的qc快充协议,并获得了中国工信部的支持。有望在不久统一目前混乱的快充市场。
pd快充协议优势
pd是powerdelivery,关注的是两个或者多个设备,甚至是一个基于usb接口的智能电网的电能传输过程,电能传输可以是双方向的,甚至是组网的,可以具备系统级供电策略。而qc是quickcharge仅仅关注的是快速充电问题,电能传输是单方向的,不具备电能组网能力,不支持除了供电以外的其他功能。
目前支持pd协议的设备还比较少,已知的仅苹果的newmacbook、魅族和htc手机的几款高端型号、谷歌笔记本等少数设备,但是星火之势,终可燎原,而且国内也渐有厂家推出了pd协议的充电头,比如笔者刚入手的这个奥睿科pd充电器tsm-1u。oricotsm-1u使用了瓷白的pc材料外壳,整体偏向正方形,采用的是两段化设计,大部分为光滑表面,接近插头的地方为磨砂处理,增加和手的接触阻力,易于插拔,而光滑处能防污和提高产品颜值。
usb pd快速充电通信原理
usbpd的通信是将协议层的消息调制成24mhz的fsk信号并耦合到vbus上或者从vbus上获得fsk信号来实现手机和充电器通信的过程。
如图所示,在usb pd通信中,是将24mhz的fsk通过cac-coupling耦合电容耦合到vbus上的直流电平上的,而为了使24mhz的fsk不对powersupply或者usbhost的vbus直流电压产生影响,在回路中同时添加了zisolation电感组成的低通滤波器过滤掉fsk信号。
us bpd的原理,以手机和充电器都支持usbpd为例讲解如下:
1)usbotg的phy监控vbus电压,如果有vbus的5v电压存在并且检测到otgid脚是1k下拉电阻(不是otghost模式,otghost模式的id电阻是小于1k的),就说明该电缆是支持usbpd的;
2)usbotg做正常bcsv1.2规范的充电器探测并且启动usbpd设备策略管理器,策略管理器监控vbus的直流电平上是否耦合了fsk信号,并且解码消息得出是capabilitiessource消息,就根据usbpd规范解析该消息得出usbpd充电器所支持的所有电压和电流列表对;
3)手机根据用户的配置从capabilitiessource消息中选择一个电压和电流对,并将电压和电流对加在request消息的payload上,然后策略管理器将fsk信号耦合到vbus直流电平上;
4)充电器解码fsk信号并发出accept消息给手机,同时调整powersupply的直流电压和电流输出;
5)手机收到accept消息,调整chargeric的充电电压和电流;
6)手机在充电过程中可以动态发送request消息来请求充电器改变输出电压和电流,从而实现快速充电的过程。
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