快速充电技能无疑是现在智能手机厂商研制和宣扬的要点之一，其计划包含高通的Quick Charge，联发科的Pump Express，以及自主研制的私用技能等等。这些技能的充电协议不同，彼此之间无法快速充电。跟着USB Type-C接口的遍及，Power Delivery(PD) 协议不只为包含手机在内的一切选用Type-C接口的电子设备供给了一致的快速充电规范，而且加快了电池直充计划的研制和遍及。本文结合实践项目，完结了一套完好的依据PD协议的手机快充体系，包含了手机和充电器的软硬件规划，灵敏的可编程充电协议和完善的充电流程。此计划现已成功地运用到知名品牌的手机产品中，取得了很好的作用。
一 PD充电器硬件结构
典型的手机充电器的硬件结构(以依据Dialog计划的高通QC2.0快充协议为例)如图 1所示。iW626作为QC2.0协议操控器，经由USB口的D+/D-信号和手机侧AP进行供电洽谈，然后通过光耦操控原边的AC/DC操控器iW1780完结输出电压的调整。
图 1 依据Dialog计划的高通QC2.0快充协议的充电器硬件框图
依据PD协议的充电器电路能够保持AC/DC部分不变，仅仅将QC协议操控器替换为PD操控器[1]，比方Cypress半导体的CCG2(Type-C Controller Generation 2). CCG2 是最早通过USB-IF认证的PD操控器之一，内部包含ARM® Cortex®-M0处理器和齐备的PD协议收发器，能够满意充电器，主机，附件，EMAC线缆等各种支撑Type-C口的运用，在苹果，联想，HP，Dell，小米，乐视等一线品牌客户都有很多的量产事例。
选用CCG2PD操控器和Dialog AC/DC操控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协议交流，然后通过PWM操控光耦将电压和电流需求反应到AC/DC进行输出调理。CCG2会通过采样VBUS来保证PD协议状况机的牢靠工作，而且依据PD状况通过MOSFET操控VBUS的通断。别的CCG2也能够通过D+/D-支撑QC3.0协议, 在同一个Type-C口上完结PD和QC的共存(实践工作时两者不能一起重用，用户能够界说优先级和使能战略)。PD快充除了能够进行调压充电，还能够进行电流调理，完结电流精调或许大电流充电乃至直充。CCG2能够运用内部ADC进行电压电流采样，进行闭环操控和OVP/OCP/UVP维护。CCG2的维护机制是软件操控的，因而实时性不行，能够充任AC/DC操控器维护的辅佐或许冗余。Cypress的第三代PD操控器CCG3在精简BOM的一起，集成了内部硬件的OCP/OVP等维护机制，提高了ADC精度，供给了最优的大电流直充计划，现已在多个手机客户开端了评价规划。
图 2 依据Cypress CCG2计划的PD和QC快充协议的充电器硬件框图
二 TYPE-C PD 操控器
本规划在充电器和手机侧都选用了赛普拉斯第二代Type-C PD操控器 CCG2。手机侧芯片支撑死电池(Dead Battery)充电，一起选用了1.6mm*2.0mm 的CSP封装，外部器材也仅有几个电阻%&&&&&%，节省了布局布线面积[2];充电器则选用QFN封装的芯片，下降贴片和测验本钱，而且处理了无220V AC输入时衔接手机的漏电问题。 CCG2运用了带有 32 KB闪存的 32 位48 MHz ARM® Cortex®-M0 处理器，具有齐备的USB-PD子体系，如图 3所示。该子体系包含一个USB Type-C收发器和物理层逻辑，收发器履行BMC 和4b/5b 编码、解码功用以及1.2 V的前端偏置，而且还集成了完结TYPE-C衔接所需的终端电阻RP (DFP)、RD (UFP)和RA (EMCA)，无需杂乱的外围电阻或许电流源阵列。CCG2能够支撑PD2.0的一切协议以及PD3.0在充电范畴的协议，足以满意快速充电或许直充的需求。CCG2内部的高精度SAR(逐次迫临寄存器)ADC，能够完结关于电压电流的数据收集，完结AC/DC之前的另一级闭环操控或许监控，完结完美的TYPE-C端口供电操控处理计划。
图 3 CCG2操控器的USB-PD子体系
别的，CCG2选用了赛普拉斯的典型PSoC架构(PSoC Programmable System on Chip)，在一个MCU内核周围集成了丰厚的可装备的模仿和数字外围器材阵列，运用芯片内部的可编程互联阵列，用户能够直观有用地依据实践需求装备芯片上的模仿和数字资源，完结定制化的嵌入式体系。一个PSoC器材最多可集成上百种外设功用，然后协助客户节省规划时刻和板上面积，下降了功耗和体系本钱。
三 PD充电的软件完结
PD充电体系从低到高全体分为三个层次：Type-C衔接层，PD协议层和充电战略层。Type-C 衔接层需求保证Type-C设备互联时能正确安稳树立衔接联系，而且防止呈现洽谈进程、人物承认、供电输出等环节的重复;PD协议层供给了衔接两边交流的链路和规范;充电战略是核心技能，需求手机开发者依据长时间的经历堆集和实践项目测验来规划和不断优化。充电战略程序依据电池、温度等信息和希望充电曲线才干电压电流需求，通过HPI接口传递给PD层，然后通过Type-C的CC信号传递给充电器并接纳充电器反应。
依据PD协议的充电器软件操控流程如图 4所示，首要包含规范PD充电流程，私有化充电流程以及电压电流维护。主程序流程为(a)所示，包含外设的初始化和子程序的初始化，装备完结之后，使能中止，进行主循环。规范PD充电流程为(b)所示，作为用电设备的手机刺进充电器之后，在完结数据和供电联系断定之后，作为供电设备的充电器会翻开MOSFET输出VBUS为5V，随后便会播送供电才能。手时机依据界说好的受电才能挑选电压电流，充电器依据收到的供电恳求来断定是否能够满意，然后发送承受或回绝信息。假如充电器能够供给手机恳求的电压电流，就会相应的操控AC/DC调整输出的电压电流才能而且设置相应的电压电流维护值，并在调整完结之后，发送供电准备好的信息，此刻规范的PD洽谈充电就完结了。
在此之后，客制化的、针对各家手机厂的产品特性的私有化充电流程就能够启动了，如(c)所示。私有化充电流程是通过充电器与手机AP依据非结构化的定制化信息(Unstructured VDM)或许可编程PDO进行交流完结的。为了安全起见，进行私有供电洽谈之前，本规划进行了充电器和手机的彼此身份承认，只要匹配的两边才干够进行客制化的快速充电。当然，在越来越多的设备支撑PD充电，以及PD协议的不断完善的未来，私有化的充电将逐步被一致的、灵敏的公有充电洽谈机制所替代，完结不同品种、不同厂家的设备之间的自适应的智能高效充电。本规划在完结私有化验证之后，手机端建议数据人物交流的指令(Date Role Swap)，然后使手机成为主设备，充分发挥手机AP处理才能强和获取信息多的优势，依据电池电量，体系温度以及预置充电曲线等信息，主意向充电器发送所需的电压电流调整指令。充电器则依据手机侧的指令调整电压、电流以及设置相应的维护值，完结调整之后，再发送承认指令给手机，以此来保证电压电流调整的正确性。
四 PD充电进程和成果
为了愈加有用开发和精确验证依据操控流程的协议交流，本文选用赛普拉斯研制的PD协议分析仪CY4500 EZ-PD™ Protocol Analyzer。CY4500 协议分析仪通过抓取装备通道(CC，Configuration Channel)上的数据包，并通过USB接口发送到主机端，通过软件EZ-PD Analyzer Utility解码并显现PD协议包。CY4500不只能够实时显现并解析PD通讯包，而且还实时丈量电力传输进程中的电压和电流值，然后缩短了开发周期，关于调试以及兼容性测验协助非常大。
图 4 依据Cypress CCG2计划的PD协议的充电器软件操控流程图
本文运用CY4500记录了充电进程中的规范PD洽谈供电以及私有化充电通讯进程，如图 5所示，而在此进程中CC电平缓VBUS电压改变状况图 6所示。首要作为供电方的充电器播送供电才能(Source Capability)5V/3A， 9V/2.7A和12V/2A，手机回复供电恳求(Request)，挑选9V，随后充电器回复承受信息(Accept)，而且将电压调整至9V，发送供电准备好信息(PS_RDY)。能够从Vbus(mv)一栏，看出在整个洽谈通讯进程中的电压改变状况，发送PS_RDY时，电压现已调整至9V。规范PD洽谈供电之后，本位选用加密的非结构化的定制化信息(Unstructured VDM)进行私有化验证，验证通过之后手机端建议数据人物交流的指令(DR_SWAP)，然后成为数据主设备，再发送调理电压电流指令，完结高效的充电战略。
QC3.0的充电比较遍及，在此不做胪陈。
图 5 依据Cypress CCG2计划的PD协议的充电器供电洽谈通讯进程
图 6 依据Cypress CCG2计划的PD协议的充电器供电洽谈波形
五 总结
本文针对客户需求，和客户以及充电器厂商紧密配合，依据详细手机项目，运用赛普拉斯PD操控器CCG2规划出了一套依据PD2.0协议的快速充电体系，包含PD充电器，手机侧PD操控电路和AP驱动，PD操控程序和充电算法，通过数月的调试改善，完结了各种状况下安稳的Type-C衔接和高于QC3.0充电功率和牢靠性的充电战略，完结了量产和上市，并为下一步依据PD协议的电池直充计划奠定了根底。
