【導(dǎo)讀】快速充電技術(shù)無疑是目前智能手機(jī)廠商研發(fā)和宣傳的重點(diǎn)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(shù)等等。這些技術(shù)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(jī)在內(nèi)的所有采用Type-C接口的電子設(shè)備提供了統(tǒng)一的快速充電標(biāo)準(zhǔn)，而且加速了電池直充方案的研發(fā)和普及。
本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，完成了一套完整的基于PD協(xié)議的手機(jī)快充系統(tǒng)，包括了手機(jī)和充電器的軟硬件設(shè)計(jì)，靈活的可編程充電協(xié)議和完善的充電流程。此方案已經(jīng)成功地應(yīng)用到知名品牌的手機(jī)產(chǎn)品中，取得了很好的效果。
一.PD充電器硬件結(jié)構(gòu)
典型的手機(jī)充電器的硬件結(jié)構(gòu)（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(jīng)由USB口的D+/D-信號和手機(jī)側(cè)AP進(jìn)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(diào)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(dǎo)體的CCG2（Type-C Controller Generation 2）. CCG2 是最早通過USB-IF認(rèn)證的PD控制器之一，內(nèi)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(jī)，附件，EMAC線纜等各種支持Type-C口的應(yīng)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(chǎn)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(jī)AP進(jìn)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(jìn)行輸出調(diào)節(jié)。CCG2會通過采樣VBUS來保證PD協(xié)議狀態(tài)機(jī)的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，并且根據(jù)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(gè)Type-C口上實(shí)現(xiàn)PD和QC的共存（實(shí)際工作時(shí)兩者不能同時(shí)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(jìn)行調(diào)壓充電，還可以進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電流精調(diào)或者大電流充電甚至直充。CCG2可以使用內(nèi)部ADC進(jìn)行電壓電流采樣，進(jìn)行閉環(huán)控制和OVP/OCP/UVP保護(hù)。CCG2的保護(hù)機(jī)制是軟件控制的，因此實(shí)時(shí)性不夠，可以充當(dāng)AC/DC控制器保護(hù)的輔助或者冗余。Cypress的第三代PD控制器CCG3在精簡BOM的同時(shí)，集成了內(nèi)部硬件的OCP/OVP等保護(hù)機(jī)制，提高了ADC精度，提供了最優(yōu)的大電流直充方案，已經(jīng)在多個(gè)手機(jī)客戶開始了評估設(shè)計(jì)。
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(shè)計(jì)在充電器和手機(jī)側(cè)都采用了賽普拉斯第二代Type-C PD控制器 CCG2。手機(jī)側(cè)芯片支持死電池（Dead Battery）充電，同時(shí)采用了1.6mm*2.0mm 的CSP封裝，外部器件也僅有幾個(gè)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(shí)連接手機(jī)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(gè)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(fù)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(lǐng)域的協(xié)議，足以滿足快速充電或者直充的需求。CCG2內(nèi)部的高精度SAR（逐次逼近寄存器）ADC，可以實(shí)現(xiàn)對于電壓電流的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)AC/DC之前的另一級閉環(huán)控制或者監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)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(gòu)（PSoC Programmable System on Chip），在一個(gè)MCU內(nèi)核周圍集成了豐富的可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列，利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，用戶可以直觀有效地根據(jù)實(shí)際需求配置芯片上的模擬和數(shù)字資源，實(shí)現(xiàn)定制化的嵌入式系統(tǒng)。一個(gè)PSoC器件最多可集成上百種外設(shè)功能，從而幫助客戶節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)
PD充電系統(tǒng)從低到高整體分為三個(gè)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(shè)備互聯(lián)時(shí)能正確穩(wěn)定建立連接關(guān)系，并且避免出現(xiàn)協(xié)商過程、角色確認(rèn)、供電輸出等環(huán)節(jié)的反復(fù)；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(shù)，需要手機(jī)開發(fā)者根據(jù)長期的經(jīng)驗(yàn)積累和實(shí)際項(xiàng)目測試來設(shè)計(jì)和不斷優(yōu)化。充電策略程序根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)PD充電流程，私有化充電流程以及電壓電流保護(hù)。主程序流程為（a）所示，包括外設(shè)的初始化和子程序的初始化，配置完成之后，使能中斷，進(jìn)行主循環(huán)。標(biāo)準(zhǔn)PD充電流程為（b）所示，作為用電設(shè)備的手機(jī)插入充電器之后，在完成數(shù)據(jù)和供電關(guān)系判定之后，作為供電設(shè)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(jī)會根據(jù)定義好的受電能力選擇電壓電流，充電器根據(jù)收到的供電請求來判定是否可以滿足，進(jìn)而發(fā)送接受或拒絕信息。如果充電器可以提供手機(jī)請求的電壓電流，就會相應(yīng)的控制AC/DC調(diào)整輸出的電壓電流能力并且設(shè)置相應(yīng)的電壓電流保護(hù)值，并在調(diào)整完成之后，發(fā)送供電準(zhǔn)備好的信息，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)廠的產(chǎn)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(jī)AP基于非結(jié)構(gòu)化的定制化信息（Unstructured VDM）或者可編程PDO進(jìn)行溝通完成的。為了安全起見，進(jìn)行私有供電協(xié)商之前，本設(shè)計(jì)進(jìn)行了充電器和手機(jī)的相互身份確認(rèn)，只有匹配的雙方才可以進(jìn)行客制化的快速充電。當(dāng)然，在越來越多的設(shè)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(jī)制所取代，實(shí)現(xiàn)不同種類、不同廠家的設(shè)備之間的自適應(yīng)的智能高效充電。本設(shè)計(jì)在完成私有化驗(yàn)證之后，手機(jī)端發(fā)起數(shù)據(jù)角色交換的指令（Date Role Swap），從而使手機(jī)成為主設(shè)備，充分發(fā)揮手機(jī)AP處理能力強(qiáng)和獲取信息多的優(yōu)勢，根據(jù)電池電量，系統(tǒng)溫度以及預(yù)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(diào)整指令。充電器則根據(jù)手機(jī)側(cè)的指令調(diào)整電壓、電流以及設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)值，完成調(diào)整之后，再發(fā)送確認(rèn)指令給手機(jī)，以此來確保電壓電流調(diào)整的正確性。
四.PD充電過程和結(jié)果
為了更加有效開發(fā)和準(zhǔn)確驗(yàn)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(shù)據(jù)包，并通過USB接口發(fā)送到主機(jī)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(shí)時(shí)顯示并解析PD通信包，而且還實(shí)時(shí)測量電力傳輸過程中的電壓和電流值，進(jìn)而縮短了開發(fā)周期，對于調(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)回復(fù)供電請求（Request），選擇9V，隨后充電器回復(fù)接受信息（Accept），并且將電壓調(diào)整至9V，發(fā)送供電準(zhǔn)備好信息（PS_RDY）。可以從Vbus（mv）一欄，看出在整個(gè)協(xié)商通信過程中的電壓變化情況，發(fā)送PS_RDY時(shí)，電壓已經(jīng)調(diào)整至9V。標(biāo)準(zhǔn)PD協(xié)商供電之后，本位采用加密的非結(jié)構(gòu)化的定制化信息（Unstructured VDM）進(jìn)行私有化驗(yàn)證，驗(yàn)證通過之后手機(jī)端發(fā)起數(shù)據(jù)角色交換的指令（DR_SWAP），從而成為數(shù)據(jù)主設(shè)備，再發(fā)送調(diào)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(jié)
本文針對客戶需求，和客戶以及充電器廠商緊密配合，根據(jù)具體手機(jī)項(xiàng)目，使用賽普拉斯PD控制器CCG2設(shè)計(jì)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(jī)側(cè)PD控制電路和AP驅(qū)動，PD控制程序和充電算法，經(jīng)過數(shù)月的調(diào)試改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)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(chǔ)。
