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写在前面

 

2021年5月,USB-IF发布了最新的USB PD 3.1标准,在这个版本中最大的一个亮点就是,其支持的最大输出功率从之前USB PD 3.0的100W,提升到了240W!从名字来看,3.1版本可能只是3.0版本的一个小突破,但是就功率而言,却是质的提升。USB PD3.1和之前的版本到底有哪些区别呢?

 

回看2010年,那时的USB BC1.2只能支持7.5W的输出功率(5V/1.5A),在十年间,USB的电力传输能力增长到原来的32倍,这个成绩太拿得出手了!USB接口最早被赋予的角色就是传输数据。沿着这个“人设”,USB数据传输标准已经演化到了USB4。不过数据传输并非USB接口的唯一功能,与其并驾齐驱的还有另外一条标准线,那就是电源传输——毕竟,一个能够同时完成数据和电源传输的接口,才能满足用户日益增长的需求,由此也就诞生了USB PD(USB Power Delivery)标准。实际上,今天在不少应用中,电源传输(而不是数据传输)往往是USB接口的唯一功能。

 

USB PD标准历程

 

据统计,自发布以来,USB PD已经经历了第14次更新,下面我们就来一起来回顾一下USB PD一路走来几个重要的大版本更新。

 

图1:USB接口相关标准的发展过程

(图片来源:安森美)

 

USB PD的前身是USB-IF发布的电池充电(Battery Charging, BC)规范,主要是为了解决通过USB接口为电子设备充电的问题,BC1.2支持的充电率为7.5W(5V/1.5A),但是随着智能手机等设备的电池容量越来越大,这样的功率水平显然不能满足用户的需求,很多时候还需要同时进行数据传输和电源传输,BC规范显然力不从心了,因此USB-IF就定义了一个全新的USB PD标准。

 

2012年发布的USB PD 1.0将最大传输功率从7.5W提高到了100W(20V/5A),且定义了18W、36W、60W和100W四个功率等级。彼时USB Type-A/B接口还是主流,因此USB PD1.0为了不影响Type-A/B接口中数据线(D+,D-)上的数据传输,最初是考虑利用VBUS母线进行PD协议的传输。但是,由于PD协议的通信信号与电源以及USB数据之间的信号完整性等问题,一直没有找到令人满意的解决方案,因此USB PD 1.0并没有在市场上引起很大的波澜。

 

于是在2014年,USB PD 2.0来了,而且伴随它而来的还有一个全新的USB物理接口标准USB Type-C。在USB Type-C中,定义了专门用于PD协议传输的CC线,负责在供电和受电设备之间协商电力协议,支持由4种电压(5A、9A、15A、20A)和2种电流(3A、5A)组合而成的7个电源数据对象(PDO)——也就是功率等级,这就使得更精密、更高功率的电源传输成为可能,而且可以实现供电和受电设备之间的角色转换,电力的双向传输。由此,今天我们所见的USB PD标准的轮廓也就初步成型了。

 

图2:USB PD协议的工作流程

(图片来源:安森美)

 

接下来,2015年底USB PD 3.0标准推出,与2.0相比增加了对设备内置电池特性更为详细的描述,增加了通过PD通信进行设备软硬件版本识别和软件更新的功能,增加了数字证书及数字签名功能,使得这一标准更为完善。但是此时,市场上的快充标准已经成井喷之势,高通的QC、联发科PE、OPPO的VOOC、华为的SuperCharge等标准纷纷入场,USB PD也面临这前所未有的竞争压力。

 

为了应对这样的挑战,USB-IF组织在2017年2月发布了USB-PD 3.0标准的一个重要更新——可编程电源PPS(Programmable Power Supply),由此一举奠定了自己在快充领域的统治地位。

 

这主要是因为,PPS做了两件卓有成效的工作:

 

PPS中将USB PD供电电压/电流的颗粒度做了进一步的细化。上文提到,USB 2.0中支持七个PDO(电源等级),而在USB-PD 3.0 PPS中,PDO的可编程电压可在3.3V到21V之间以20mV步进进行设置,同时可编程的电流则可以在5A内以50mA步进进行设置,此举使得整个电力传输过程中,可以根据受电方的实际情况灵活地调整功率,采用最佳的供电策略,有利于供电效率的提升。与其他同类快充标准相比,优势明显。

 

在PPS中进一步强化了USB PD与USB Type-C这个物理接口的“强绑定”关系,对于其他基于USB Type-C进行电源传输的快充标准进行了“收编”,基本上收录了市场上主流的快充标准。至此,USB PD在快充江湖的统御地位也就确立了。

 

坐稳了快充江湖的头把交椅,USB PD的下一步会怎么走,也就成了大家好奇的地方。这不,新近推出的USB PD 3.1就给出了一个答案。

 

 USB PD 3.1的“野心”

 

如果细究起来,其实240W的最高输出功率,只是USB PD 3.1中一个比较“拉风”的标签,实际上这次版本更新的地方并不止于此。具体来讲,包括以下几项:

 

 USB PD 3.1将原有的USB PD 3.0内容定义为“标准功率范围(SPR)”,而在此基础之上,增加了“扩展功率范围(EPR)”,前者的最高输出功率还是100W,而后者则最高支持240W。

 

为了支持EPR,USB PD 3.1新增加了28V、36V和48V三个固定电压档,支持的最大输出电流仍为5A,最高可以达到240W。

 

同时,USB PD 3.1还新增三种可调电压档(AVS),可以从15V到28V、36V、48V三种最大电压间,以最小100mV步进进行调压,并且继续沿用基于PDP的恒功率限制模式。

 

图4:USB PD标准和目标应用

 

可见,USB PD 3.1的目的就在于:在传承PPS精细化的功率调节优势的基础上,进一步扩大所支持的功率范围,这也就使得USB PD可覆盖领域大大扩展,未来游戏笔记本、服务器、电动工具、通信电源、电动自行车都有望被圈入USB PD的版图之中。这应该就是USB PD 3.1的市场“野心”所在。

 

 厂商闻风而动

 

正是意识到USB PD 3.1将带来的巨大市场前景,相关的技术供应商已经闻风而动。

 

英飞凌已经推出了首款支持USB PD 3.1的高压MCU——EZ-PD™ PMG1(Power Delivery Microcontroller Gen1),该器件集成了经市场验证的USB PD协议栈,能实现可靠的性能和高互操作性,支持USB PD 3.1规范中定义的240W更大功率。如此快的响应速度,很是令人佩服。

 

图5:支持USB PD 3.1的EZ-PD™PMG1微控制器

(图片来源:英飞凌)

 

PMG1 MCU采用Arm Cortex-M0/M0+处理器,片内集成了256 KB闪存和32 KB SRAM、USB全速级外设、GPIO引脚、门驱动电路、LDO和高压保护电路。此外在安全性方面,该器件还提供硬件和固件保护,包括过压和过流保护、短路和反向电流保护、安全固件启动和签名固件更新等。

 

同时,PMG1 MCU内置可编程模拟和数字模块,有助于将定制智能模拟传感器集成到应用中;它还支持现场编程,支持签名固件更新,可以有效提升开发的灵活性和效率。

 

每一次技术标准的升级和更新,都是令人兴奋的。而想要透彻地理解这个技术标准,就免不了也来一个“哲学三连问”——它是谁,从哪里来,要到哪里去?通过本文,想必大家对于USB PD应该会有一个更为清晰的洞察。未来应该如何与这个标准结伴同行?路,已经在你的脚下。你对USB PD 3.1标准中最大输出功率为240W是怎么看的?USB PD未来发展走向如何?欢迎在文末留言参与讨论。