快充過程中電源適配器與手機(jī)是如何通信的？

一、快充協(xié)議簡介

快充，顧名思義就是給手機(jī)快速充電，通過軟/硬件技術(shù)手段，調(diào)整手機(jī)的電壓與電流的輸入值，進(jìn)而縮短手機(jī)的充電時(shí)間，打破以往傳統(tǒng)的5V/1A模式。提升充電速度的方式無非三種：電流不變，提升電壓；電壓不變，提高電流；電壓、電流兩者都提高。

隨著市場的需求擴(kuò)張，目前市面上高電壓恒定電流、低電壓高電流、高電壓高電流三種模式都已經(jīng)出現(xiàn)并完善起來。對于這三種模式，每個(gè)廠商都有不同的選擇，因此衍生出了多種快充協(xié)議。目前較為主流的有PD快充，高通的QC2.0/3.0，聯(lián)發(fā)科的PE協(xié)議，oppo、vivo的閃充、華為的SCP等。為規(guī)范快充標(biāo)準(zhǔn)，USB-IF(USB標(biāo)準(zhǔn)化組織)發(fā)布了USB PD 3.0的重要更新，旨在一統(tǒng)快速充電技術(shù)規(guī)范方案，并且不允許USB接口通過非USB PD協(xié)議進(jìn)行電壓調(diào)整，而谷歌也宣布Android7.0以上的手機(jī)搭載的快充協(xié)議必須支持PD協(xié)議，更是加快了PD一統(tǒng)快充協(xié)議江湖。下面我們就以USB-PD為例，帶你全面認(rèn)識手機(jī)快充。

二、USBPD充電原理

USB-PowerDelivery（USBPD）是由USB-IF組織制定的目前主流的快充協(xié)議之一，它可以使目前默認(rèn)最大功率5V/2A的type-c接口提高到100W功率。并且可以進(jìn)行雙向甚至組網(wǎng)的電能傳輸，具備系統(tǒng)級供電方案。

圖 1 USBPD通信線纜

USBPD通信通過VBUS上交流耦合的FSK信號的調(diào)制（24MHz）進(jìn)行半雙工通信,從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)和充電器的充電過程。

SOURCE端和SINK端分別代表適配器端和手機(jī)內(nèi)部芯片SINK控制器,從USB通信傳輸角度可以理解為USBHOST（主設(shè)備）和USBOTG（做從設(shè)備）。

當(dāng)電纜接通之后，PD協(xié)議的SOP通信就開始在CC線（type-c接口通信配置通道）上進(jìn)行，以此來選擇電源傳輸?shù)囊?guī)格，此部分由SINK端向SOURCE端詢問能夠提供的電源配置參數(shù)（5V/9V/12V/15V/20V）。

圖 2 包含USBPD協(xié)議的Type-c系統(tǒng)充電原理框圖

以手機(jī)端和適配器的9V充電為例，整體過程如下：

USB OTG端（從設(shè)備：適配器端）監(jiān)控VBUS上電壓狀態(tài)，如果有VBUS的5V電壓存在并且檢測到OTG的ID腳是1K下拉電阻則說明該電纜支持USBPD通信，此時(shí)通信過程開始。

圖 3 PD通信波形電平變化

1.   SINK端發(fā)起SOP（起始段），啟動(dòng)SOURSE端USBPD設(shè)備管理器，申請獲取SOURSE端能提供的規(guī)格資料；

2.   SOURCE端回復(fù)能提供的規(guī)格列表，即根據(jù)USBPD規(guī)范解析該消息得出適配器所支持的所有電壓和電流列表對；

3.   SINK端回復(fù)選擇的電壓規(guī)格，即選擇一個(gè)電壓和電流對，并帶上所需要的電流參數(shù)，發(fā)出相應(yīng)的請求；

4.   SOURSE端適配器內(nèi)部解碼轉(zhuǎn)換后接受請求，調(diào)整適配器輸出，把VBUS線纜上由5V抬升到9V；

5.   手機(jī)收到消息后，SINK端會(huì)調(diào)整充電電壓和電流，待SOURSE端的VBUS線纜到達(dá)9V并達(dá)到穩(wěn)定進(jìn)行充電；

手機(jī)在充電過程中可以動(dòng)態(tài)發(fā)送消息來請求充電器改變輸出電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)快速充電的過程。

三、USB PD協(xié)議解析規(guī)劃

PD協(xié)議的通信編碼為Bi-phase Mark Coded (BMC)，通過CC腳進(jìn)行通信，如圖所示。

圖 4 BMC 通信線纜

BMC碼是一種單線通信編碼，數(shù)據(jù)1的傳輸，需要有一次高/低電平之間的切換過程，而0的傳輸則是固定的高電平或者低電平。每一個(gè)數(shù)據(jù)包都包含有0/1交替的前置碼，所有的PD傳輸流程，都是以SOP Packet開始，起始碼（SOP），報(bào)文頭，數(shù)據(jù)位，CRC以及結(jié)束碼（EOP）。

圖 5 PD 傳輸數(shù)據(jù)

BMC編碼的通信，從數(shù)據(jù)流的測試節(jié)點(diǎn)開始，可以使用分析儀進(jìn)行分析，也可以用帶有協(xié)議解碼功能的示波器進(jìn)行直接解碼，抓取每個(gè)數(shù)據(jù)包，并且獲得數(shù)據(jù)包的報(bào)文參數(shù)。

圖 6 協(xié)議規(guī)劃

如圖所示即為使用示波器在測試節(jié)點(diǎn)所獲取的CC腳上PD通信波形。由此可看出，BPD協(xié)議的位數(shù)較多，解碼較為復(fù)雜，而通過示波器的協(xié)議解碼功能，可將完整報(bào)文在短時(shí)間內(nèi)迅速解出，大大提升了工程師的工作效率以及直觀的體驗(yàn)。

圖 7 ZDS 示波器 USBPD 解碼

圖 8 PD 協(xié)議控制下的電壓抬升過程

圖 9用雙 ZOOM 模式分析 PD 各段解碼協(xié)議

目前ZDS系列示波器不僅能夠支持USBPD的協(xié)議解碼，并且也支持QC2.0/3.0協(xié)議的解碼，可以滿足目前主流快充協(xié)議的解碼需求，并且在其高達(dá)512M的大存儲(chǔ)機(jī)制下，可支持超長時(shí)間的解碼還原真實(shí)波形，完整監(jiān)控通信過程；且具有雙ZOOM分析功能，可用主時(shí)基捕獲需要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的波形，通過Zoom1定位一段時(shí)間的特征值，再由Zoom2放大波形細(xì)節(jié)，觀測瞬時(shí)信號變化，大大提升了工程師的測試便捷性。