【導讀】快速充電技術無疑是目前智能手機廠商研發(fā)和宣傳的重點之一，其方案包括高通的Quick Charge，聯(lián)發(fā)科的Pump Express，以及自主研發(fā)的私用技術等等。這些技術的充電協(xié)議不同，相互之間無法快速充電。隨著USB Type-C接口的普及，Power Delivery（PD） 協(xié)議不僅為包括手機在內的所有采用Type-C接口的電子設備提供了統(tǒng)一的快速充電標準，而且加速了電池直充方案的研發(fā)和普及。
本文結合實際項目，完成了一套完整的基于PD協(xié)議的手機快充系統(tǒng)，包括了手機和充電器的軟硬件設計，靈活的可編程充電協(xié)議和完善的充電流程。此方案已經成功地應用到知名品牌的手機產品中，取得了很好的效果。
一.PD充電器硬件結構
典型的手機充電器的硬件結構（以基于Dialog方案的高通QC2.0快充協(xié)議為例）如圖 1所示。iW626作為QC2.0協(xié)議控制器，經由USB口的D+/D-信號和手機側AP進行供電協(xié)商，然后通過光耦控制原邊的AC/DC控制器iW1780完成輸出電壓的調整。
圖1.基于Dialog方案的高通QC2.0快充協(xié)議的充電器硬件框圖
基于PD協(xié)議的充電器電路可以維持AC/DC部分不變，只是將QC協(xié)議控制器替換為PD控制器[1]，比如Cypress半導體的CCG2（Type-C Controller Generation 2）. CCG2 是最早通過USB-IF認證的PD控制器之一，內部包含ARM® Cortex®-M0處理器和完備的PD協(xié)議收發(fā)器，可以滿足充電器，主機，附件，EMAC線纜等各種支持Type-C口的應用，在蘋果，聯(lián)想，HP，Dell，小米，樂視等一線品牌客戶都有眾多的量產案例。
采用CCG2PD控制器和Dialog AC/DC控制器的充電器電路簡圖如圖 2所示，CCG2通過Type-C口的CC信號和手機AP進行PD協(xié)議溝通，然后通過PWM控制光耦將電壓和電流需求反饋到AC/DC進行輸出調節(jié)。CCG2會通過采樣VBUS來保證PD協(xié)議狀態(tài)機的可靠運轉，并且根據PD狀態(tài)通過MOSFET控制VBUS的通斷。另外CCG2也可以通過D+/D-支持QC3.0協(xié)議, 在同一個Type-C口上實現PD和QC的共存（實際工作時兩者不能同時起用，用戶可以定義優(yōu)先級和使能策略）。PD快充除了可以進行調壓充電，還可以進行電流調節(jié)，實現電流精調或者大電流充電甚至直充。CCG2可以使用內部ADC進行電壓電流采樣，進行閉環(huán)控制和OVP/OCP/UVP保護。CCG2的保護機制是軟件控制的，因此實時性不夠，可以充當AC/DC控制器保護的輔助或者冗余。Cypress的第三代PD控制器CCG3在精簡BOM的同時，集成了內部硬件的OCP/OVP等保護機制，提高了ADC精度，提供了最優(yōu)的大電流直充方案，已經在多個手機客戶開始了評估設計。
圖2.基于Cypress CCG2方案的PD和QC快充協(xié)議的充電器硬件框圖
二.TYPE-C PD 控制器
本設計在充電器和手機側都采用了賽普拉斯第二代Type-C PD控制器 CCG2。手機側芯片支持死電池（Dead Battery）充電，同時采用了1.6mm*2.0mm 的CSP封裝，外部器件也僅有幾個電阻電容，節(jié)省了布局布線面積[2]；充電器則采用QFN封裝的芯片，降低貼片和測試成本，并且解決了無220V AC輸入時連接手機的漏電問題。 CCG2使用了帶有 32 KB閃存的 32 位48 MHz ARM® Cortex®-M0 處理器，具有完備的USB-PD子系統(tǒng)，如圖 3所示。該子系統(tǒng)包含一個USB Type-C收發(fā)器和物理層邏輯，收發(fā)器執(zhí)行BMC 和4b/5b 編碼、解碼功能以及1.2 V的前端偏置，而且還集成了完成TYPE-C連接所需的終端電阻RP (DFP)、RD (UFP)和RA (EMCA)，無需復雜的外圍電阻或者電流源陣列。CCG2可以支持PD2.0的所有協(xié)議以及PD3.0在充電領域的協(xié)議，足以滿足快速充電或者直充的需求。CCG2內部的高精度SAR（逐次逼近寄存器）ADC，可以實現對于電壓電流的數據采集，實現AC/DC之前的另一級閉環(huán)控制或者監(jiān)控，實現完美的TYPE-C端口供電控制解決方案。
圖3.CCG2控制器的USB-PD子系統(tǒng)
另外，CCG2采用了賽普拉斯的典型PSoC架構（PSoC Programmable System on Chip），在一個MCU內核周圍集成了豐富的可配置的模擬和數字外圍器件陣列，利用芯片內部的可編程互聯(lián)陣列，用戶可以直觀有效地根據實際需求配置芯片上的模擬和數字資源，實現定制化的嵌入式系統(tǒng)。一個PSoC器件最多可集成上百種外設功能，從而幫助客戶節(jié)約設計時間和板上面積，降低了功耗和系統(tǒng)成本。
三.PD充電的軟件實現
PD充電系統(tǒng)從低到高整體分為三個層次：Type-C連接層，PD協(xié)議層和充電策略層。Type-C 連接層需要保證Type-C設備互聯(lián)時能正確穩(wěn)定建立連接關系，并且避免出現協(xié)商過程、角色確認、供電輸出等環(huán)節(jié)的反復；PD協(xié)議層提供了連接雙方溝通的鏈路和規(guī)范；充電策略是核心技術，需要手機開發(fā)者根據長期的經驗積累和實際項目測試來設計和不斷優(yōu)化。充電策略程序根據電池、溫度等信息和期望充電曲線才能電壓電流需求，通過HPI接口傳遞給PD層，然后通過Type-C的CC信號傳遞給充電器并接收充電器反饋。
基于PD協(xié)議的充電器軟件控制流程如圖 4所示，主要包括標準PD充電流程，私有化充電流程以及電壓電流保護。主程序流程為（a）所示，包括外設的初始化和子程序的初始化，配置完成之后，使能中斷，進行主循環(huán)。標準PD充電流程為（b）所示，作為用電設備的手機插入充電器之后，在完成數據和供電關系判定之后，作為供電設備的充電器會打開MOSFET輸出VBUS為5V，隨后便會廣播供電能力。手機會根據定義好的受電能力選擇電壓電流，充電器根據收到的供電請求來判定是否可以滿足，進而發(fā)送接受或拒絕信息。如果充電器可以提供手機請求的電壓電流，就會相應的控制AC/DC調整輸出的電壓電流能力并且設置相應的電壓電流保護值，并在調整完成之后，發(fā)送供電準備好的信息，此時標準的PD協(xié)商充電就完成了。
在此之后，客制化的、針對各家手機廠的產品特性的私有化充電流程就可以啟動了，如（c）所示。私有化充電流程是通過充電器與手機AP基于非結構化的定制化信息（Unstructured VDM）或者可編程PDO進行溝通完成的。為了安全起見，進行私有供電協(xié)商之前，本設計進行了充電器和手機的相互身份確認，只有匹配的雙方才可以進行客制化的快速充電。當然，在越來越多的設備支持PD充電，以及PD協(xié)議的不斷完善的未來，私有化的充電將逐漸被統(tǒng)一的、靈活的公有充電協(xié)商機制所取代，實現不同種類、不同廠家的設備之間的自適應的智能高效充電。本設計在完成私有化驗證之后，手機端發(fā)起數據角色交換的指令（Date Role Swap），從而使手機成為主設備，充分發(fā)揮手機AP處理能力強和獲取信息多的優(yōu)勢，根據電池電量，系統(tǒng)溫度以及預置充電曲線等信息，主動向充電器發(fā)送所需的電壓電流調整指令。充電器則根據手機側的指令調整電壓、電流以及設置相應的保護值，完成調整之后，再發(fā)送確認指令給手機，以此來確保電壓電流調整的正確性。
四.PD充電過程和結果
為了更加有效開發(fā)和準確驗證基于控制流程的協(xié)議溝通，本文采用賽普拉斯研發(fā)的PD協(xié)議分析儀CY4500 EZ-PD™ Protocol Analyzer。CY4500 協(xié)議分析儀通過抓取配置通道（CC，Configuration Channel）上的數據包，并通過USB接口發(fā)送到主機端，通過軟件EZ-PD Analyzer Utility解碼并顯示PD協(xié)議包。CY4500不僅可以實時顯示并解析PD通信包，而且還實時測量電力傳輸過程中的電壓和電流值，進而縮短了開發(fā)周期，對于調試以及兼容性測試幫助非常大。
圖4.基于Cypress CCG2方案的PD協(xié)議的充電器軟件控制流程圖
本文利用CY4500記錄了充電過程中的標準PD協(xié)商供電以及私有化充電通信過程，如圖 5所示，而在此過程中CC電平和VBUS電壓變化情況圖 6所示。首先作為供電方的充電器廣播供電能力（Source Capability）5V/3A， 9V/2.7A和12V/2A，手機回復供電請求（Request），選擇9V，隨后充電器回復接受信息（Accept），并且將電壓調整至9V，發(fā)送供電準備好信息（PS_RDY）。可以從Vbus（mv）一欄，看出在整個協(xié)商通信過程中的電壓變化情況，發(fā)送PS_RDY時，電壓已經調整至9V。標準PD協(xié)商供電之后，本位采用加密的非結構化的定制化信息（Unstructured VDM）進行私有化驗證，驗證通過之后手機端發(fā)起數據角色交換的指令（DR_SWAP），從而成為數據主設備，再發(fā)送調節(jié)電壓電流指令，完成高效的充電策略。
QC3.0的充電比較普及，在此不做詳述。
圖5.基于Cypress CCG2方案的PD協(xié)議的充電器供電協(xié)商通信過程
圖6.基于Cypress CCG2方案的PD協(xié)議的充電器供電協(xié)商波形
五.總結
本文針對客戶需求，和客戶以及充電器廠商緊密配合，根據具體手機項目，使用賽普拉斯PD控制器CCG2設計出了一套基于PD2.0協(xié)議的快速充電系統(tǒng)，包括PD充電器，手機側PD控制電路和AP驅動，PD控制程序和充電算法，經過數月的調試改進，實現了各種情況下穩(wěn)定的Type-C連接和高于QC3.0充電效率和可靠性的充電策略，實現了量產和上市，并為下一步基于PD協(xié)議的電池直充方案奠定了基礎。
