【PI_USB PD 01】深入了解USB PD协议
1. USB PD概述
USB PD（USB Power Delivery）是一种智能的，可协商的充电和通信协议，建立在标准的USB连接之上，最常见的是USB C接口，USB PD是USB-IF制定、依托Type‑C CC引脚通信的通用标准化供电协议，实现电压/电流智能协商、双向送电，当前最高规格PD3.1(EPR)功率 240W(48V/5A)。
USB PD协议发展历史：
| 版本 | 发布年份 | 最大功率 | 关键特性 | 电压档位 |
| PD1.0 | 2012 | 40W(20V/2A) | 初代PD，非Type‑C专用 | 5V~20V |
| PD2.0 | 2014 | 100W(20V/5A) | 绑定Type‑C，固定档位标准化 | 5V/9V/15V/20V（SPR标准功率）[__LINK_ICON] |
| PD3.0 | 2017 | 100W | 新增PPS可编程快充(20mV调压)、FRS快速角色互换 | 沿用SPR四档+PPS连续调压(3.3~21V) |
| PD3.1 | 2021 | 240W | 拆分SPR(≤100W)+EPR扩展功率(100~240W)，新增AVS可调电源 | SPR：5/9/15/20V；EPR：28V/36V/48V(5A) |
| PD3.2 | 2024 | 240W | SPR新增100mV步进AVS，EPR短时峰值电流优化 | 继承3.1全档位[__LINK_ICON] |
PPS是PD 3.0协议中一个革命性的特性，它允许设备以非常小的步进（20mV）来微调充电电压。
- 传统PD：只能在固定的档位切换（如9V跳到15V）；
- PPS(Programmable Power Supply )可编程供电，属于PD3.0新增APDO数据对象，依托CC线PD通信，低压连续精细调压快充，iPhone、安卓低压大电流通用底层协议；
2. USB Type-C概述
Type‑C（USB‑C）是USB‑IF标准化全功能接口，正反盲插、24pin引脚，集成USB数据、PD供电、DP视频、音频，标配USB2.0，高配USB3.x/雷电。
- 外形：8.25mm×2.45mm扁口，不分上下正反；
- 供电基准：默认上电 5V，配合USB‑PD最高 240W（48V5A）；
- USB-PD就是通过Type-C的“配置通道引脚CC”进行通讯的。
2.1. 引脚定义
1. CC引脚（CC1、CC2，PD核心）
- CC：配置通道，PD协议通信总线（BMC编码）；
- Rp（电源上拉）/Rd（设备下拉）：识别插入、设备角色（Source/Sink）；
- E‑Marker线缆靠CC读取线材载流能力（3A/5A/EPR），无CC就无法PD快充，只能5V；
2. VBUS+GND（功率总线）
- VBUS：主供电正极，PD协商后5/9/15/20/28/36/48V；
- GND：功率地，大电流靠多组并联引脚分流；
- 3A线材：最大60W；E‑Marker 5A线：最高240W；
3. D+/D‑：USB2.0数据，兼容老USB、QC等私有快充；
4. SBU1/SBU2：USB4/雷电/DP视频信号
5. TX/RX高速差分：USB3.2/USB4/雷电高速数据 ；
2.2. 电源角色（DRP：Dual Roles of Power，电源双角色）
1. Source（源端）：供电设备，向外输出VBUS电能（充电器、充电宝放电侧）；
2. Sink（吸端）：受电设备，从VBUS取电（手机、笔记本充电侧）；
3. DRP设备：电源双向可变，既可做Source对外送电，也可做Sink受电（笔记本、自带电源的扩展坞）；
2.3. 数据侧角色（DRD：Dual Roles of Data，数据双角色）
1. DFP（Downstream Facing Port，下行端口）：数据主机，主动发起数据通信，等同于传统USB Host；
2. UFP（Upstream Facing Port，上行端口）：数据从机/外设，从属通信，等同于传统USB Device；
3. DRD设备：具备数据双向切换能力，可在DFP/UFP之间动态切换；
- 固定直通引脚：D+/D‑、SBU1/SBU2、CC，插接正反不改变接线；
- 高速差分：RX/TX随插接方向交叉，需要MUX换向；
- 方向识别源：CC1/CC2电平；
- 控制单元：CC控制器→控制MUX自动切换收发路径；
3. USB Type-C（不带电源传输协议）电源传输
USB Type‑C电源源端（Source）内部标配VBUS通断控制MOS管，用来实现VBUS电源的开启与关断；多数源端还集成VBUS电流采样检测电路，实时监测输出电流、实现过流保护；同时配置VBUS放电回路，设备断电、协议异常或退出高压供电时，快速泄放VBUS残余电压，保障插拔安全。
CC1、CC2引脚的采样检测电路为源端、吸端（Sink）双方通用配置，无论供电端还是受电端，均需依靠CC检测电路识别外接Rp/Rd分压，完成设备插入识别、线缆规格判定与PD协议通信。
依靠CC引脚分压电平，可完成电源角色判定、插头方向识别、源端输出电流档位识别。
源端Source在CC1、CC2配置上拉元件Rp（也可采用恒流源替代电阻，集成芯片常用，规避供电电压波动影响），空载时CC引脚保持高电位；Sink吸端CC1/CC2固定配置5.1kΩ标准下拉电阻Rd。设备插入后，一端Rp与另一端Rd形成分压，CC电压被拉低；线缆内部仅单根CC连通，源端通过判断CC1/CC2哪一路电平跌落，即可识别插头正反。
Sink同步采样CC电压，根据分压电压解析源端标称供电电流，一共三档标准：
- 最低的CC线电压≈0.41V：默认电流，USB2.0 500mA / USB3.0 900mA；
- 较高的CC线电压≈0.92V：1.5A输出规格；
- CC线电压为≈1.68V：3A满功率输出规格；
1. 电缆插入以前：
- 源端插座上的CC1和CC2都被电阻Rp上拉至高电平；
- 吸端的CC1和CC2都被下拉电阻Rd下拉至低电平；
2. 电缆接通以后：
- CC1或CC2根据电缆的插入方向而被上拉至较高电压；
- 接通以后的CC1的电压大约是1.65V，意味着源端最大能供应3A电流；
- CC线的连接被确定以后，VBUS上的5V电压将被接通；
- 在不含电源传输协议的系统中，总线上的电流供应能力由分压器Rp/Rd确定，但源端只会供应5V电压；
4. USB Type-C（带电源传输协议）电源传输
源端内置由PD控制器管控的电压变换单元，依据输入电压、母线额定上限需求，拓扑可选Buck/Boost/Buck‑Boost/反激；CC引脚PD通信同样受该PD控制器统一管理。
USB PD架构标配Vconn切换开关，实现Vconn电源择一接入单路CC线。
线缆物理连接完成后，CC线启动SOP格式PD交互协商供电档位：
- 受电端（Sink）主动查询源端（Source）可用PDO供电参数（多档母线电压、额定电流）；
- Sink侧整机需求由自身主控系统下发至本机PD控制器，再由PD控制器完成和源端的供电规格敲定（典型场景：设备内置锂电充电管理）；
PD供电协商五步流程：
1. Sink请求：受电端向源端索取供电能力列表；
2. Source上报：源端返回全部PDO电压、电流规格参数；
3. Sink选型请求：受电端挑选适配档位，发送供电申请；
4. 源端调压：源端确认指令后按标准斜率调整母线电压；调压阶段受电端维持小电流负载；
5. 就绪上电：电压稳定后源端发送电源就绪信号，受电端提升工作电流；降压复用整套交互逻辑；
5. USB PD通讯
USB PD基于BMC双相标记编码单线传输：
- 比特1：码元中间发生电平翻转；
- 比特0：整周期电平保持不变，无跳变；
完整报文帧结构依次：交替0/1前导码 → SOP包起始码 → 报文头 → 有效数据 → CRC校验 → EOP包结束码。
6. 电子标签线缆
USB‑C规范划分多类线缆：
- 普通USB2.0低速线缆仅需满足3A载流，无需内置芯片；
- USB3.1高速数据线、额定电流＞3A的大功率线缆必须搭载E‑Marker电子标记芯片；
- 有源线缆内置标识IC（记录线缆电气参数），部分额外集成信号均衡整形芯片，全部由CC引脚的VCONN供电；
带E‑Marker芯片的线缆在VCONN回路配置1kΩ下拉电阻Ra，阻值小于受电端标准5.1kΩ下拉电阻Rd。
- 线缆接入后，源端通过采集CC1、CC2引脚分压：依据引脚被5.1kΩ（Sink）或1kΩ（线缆Ra）拉低的电压差异，判别插头正反插接方向；
- 同时1kΩ的Ra下拉电平作为识别标识，通知源端在对应CC引脚输出5V VCONN，为线缆电子标签芯片供电；
- 当电缆接通以后，源端的一条CC线被来自VCONN端的1kΩ低电阻拉到了很低的电压；
- 源端将检测到此电压，并由此知道电缆中含有电子标签，于是就会将5V的VCONN电源接入CC线以实现对电缆内部电路的供电；
- 在其后发生的PD通讯中将会包含源端和电子标签之间的通讯（称为SOP’或SOP”）以及源端和吸端之间的通讯（称为SOP）；