大躍進! 高速充電邁向新世代-USB PD3.1

過去各種行動裝置如筆電、手機等因品牌及所設計使用的晶片商不同，會採用不同的充電介面，導致市面上許多隨行動裝置所附贈的充電器無法跨品牌相容，進而造成裝置淘汰後的浪費與環保問題

又因手持式裝置功能應用的多元化高速竄起，導致耗電相對提高不少，電池容量也相對提高以因應更多不同的使用場景，目前市場上常見的BC1.2 (Battery Charging 1.2)與QC3 (Quick Charge 3) 已無法滿足使用者，因此USB開發者論壇USB-IF (USB Implementers Forum)，全力推廣高速充電的架構 USB PD ( USB Power Delivery)，透過USB Type-C介面做高速充電，同時加入資料傳輸功能，涵蓋範圍從手機行動裝置、筆電外接儲存周邊、AIO (All In One) 顯示器，讓所有充電，資料傳輸使用一條Type-C cable來完成。

自USB-IF 於2012年7月5日起發佈了PD1.0 (Power Delivery 1.0) 架構，當時驚艷市場，但因溝通嚴謹度不足的問題，導致有燒毀Host / Source Side (主機端/供電端) 或Device / Sink Side (裝置端/受電端) 的情況發生，於是USB-IF著手制定相關更嚴謹的規範，於2014年8月11日公佈PD2.0規範與2015年12月11日公佈PD3.0規範。

最新於2021年6月2日USB-IF協會發佈更新的USB PD3.1快充標準規範，充電功率從原本的100W提升至240W，可以支援最大48V / 5A的電壓 / 電流功率輸出，此一新的規範引發業界廣泛關注討論。

可以依據供電端與受電端來區分角色，基本上可分為下列三種如表一及圖一說明。

如表一所示，為Type-C訊號連接示意圖，左側為Source供電端，右側為Sink受電端，當Source與Sink對接後，動作說明如下所述。

• Source Side

由於Source端會有Rp電阻，Device端則有Rd電阻，當Device接上之後於 CC pin 上Rp與Rd就會有分壓產生，就表示已接上Sink device，如此Source端可依據分壓內容去提供5V以及相關的電流。

• Sink Side

反之，因為Sink端有Rd電阻存在，當與Source 連接上後，CC pin Rp與Rd電阻上將會產生相關分壓，Source 端就會提供5V與相關的電流，當下即可知道已連接到Source端。

• USB PD 1.0

USB IF當時定義並沒有強制制定相關產品應用的供電規範，如下表二這是當時最常用的充電需求，供電能力可以達到Max 20V / 5A (100W)。

• USB PD 2.0

PD1.0 發佈大約2年後，USB IF 又發佈USB PD 2.0規格，此回修改則是參考USB PD1.0規格做延伸，針對產品設計上，供電端與受電端有做更嚴謹更明確的規範，以避免因不可預期的因素造成供電端或受電端產品受損。

範例：以PDP Rating (Power Deliver Power ) 60W < 85W<100W這階為例，參考表三可以即可得知，此產品可提供5V / 3A、9V / 3A、15V / 3A 、20V / 4.25A組合的供電能力。另外如果以最大可支援40W為例，參考表三可以即可得知，此產品可提供5V / 3A、9V / 3A、15V / 2.6A 組合的供電能力，以此類推。

• USB PD 3.0

於2015年USB IF 以USB PD2.0 做為基礎，新增加選配功能PPS(Programmable Power Supply )，這是PDO以每一階層為20mV/step為調整電壓，電壓範圍擴展Min 3.3 V至Max 21 V，如此可以提升充電效率並保護受電端的電池壽命。

範例：以PDP Rating (Power Deliver Power ) 60W < 85W<100W這階為例為例，若產品欲支援PPS (Optional)，則需包含如下：Fixed PDO (Power Data Object)：5V/3A、9V/3A、15V/3A、20V/4.25A。APDO：3.3V ~ 11V (9V Prog)/3A、3.3~16V (15V Prog)/3A、3.3~21V (20V Prog)/4.04A請參考表四。

• USB PD 3.1

於2021年USB IF除了原本USB PD 3.0定義的SPR PDO (Standard Power Range PDO)，以及SPR APDO外，新增定義EPR (Extend Power Range)以及AVS (Adjustable Voltage Supply)。

關於EPR相較於SPR則多定義了3階電壓選項包含28V、36V以及48V，而EPR的規範中的Fixed PDO相似於原本SPR PDO (固定電壓模式)，而AVS APDO與原本SPR APDO也頗為相似，但還是有差異，說明如下:

- Fixed PDO：
主要是固定電壓輸出
SPR PDO = 5V / 9V / 15V / 20V ; 
ERP Fixed PDO = 28V / 36V / 48V (請參考表五) 。

- AVS PDO (Adjustable Voltage Supply) PDO：
主要是強調非固定電壓則是用Rating 方式來呈現，
SPR APDO = 3.3V~6V，3.3V ~10V，3.3V ~16V，3.3V ~21V。

ERP AVS APDO = 15V ~28V，15V~36V，15V ~48V。

產品設計規格以最大可支援150W為例：
ERP Fixed PDO = 20V/5A，28V/5A , 36V/4.16A
ERP AVS(Adjustable Voltage Supply Range) 輸出電壓則會落到15~36V Range 之中。

註：AVS類似PPS功能，差異是AVS是以100 mV為單位步階調整輸出電壓（PPS則是20mV）。

• Device Policy Manager

此區塊功能主要是負責監控裝置使用之狀況，以及USB Type-C Control控制Source/Sink Detection功能的部分。

• Policy Engine

主要Device Policy Manager對應每一個Type C Port的實際狀態，讓Policy Manager可以隨時立即整合與更新裝置狀態並重新調配資源給每一個Type C Port。另外並且可依據當下情況判斷其內容發送與回應收到的PD訊息，並通知Protocol Layer建構相關封包的訊息。

• Protocol Layer

此層功能主要可分為2個功能說明如下：

1.傳送訊息：從Policy Engine接收所有建構訊息, 然後將所有建構訊息傳遞給下一 個階層PHYLayer，同時並確認Source side or Sink side是否有發送 GoodCRC protocol，來辨識訊息是否有正確送出，當下如果沒有收到 GoodCRC protocol 則視為訊息傳遞失敗，將起動重新發送機制 (Protocol Retry)。

2.接收訊息：從下一階層反向接收PHY Layer所傳遞過來的訊息，同時解讀傳遞過 來的訊息並將此訊息傳遞給上一階層Policy Engine，與此同時會建構 GoodCRC protocol 讓PHY Layer 回傳給對方， 讓對方知道訊息已正 確接收且並得到解讀。

當下裝置雙方的Protocol Layer則必需各自計數對方是否在規範的時間內有正確的回應(Timer check)。倘若上述的程序與內容有任何錯誤，雙方Protocol Layer都有權利與機制可發起Reset的要求，重新再做一次訊息的傳遞溝通與判讀。

• PHY Layer

此階層接收到從Protocol Layer所傳遞過來的訊息後再利用4b5b的編碼方式 將完整封包所需求的SOP*、CRC、EOP以及Preamble組成一組完整的封包訊息，然後再透過CC PIN將封包訊息傳送給對方。反之當收到訊息時，PHY Layer要先驗證所收到的訊息CRC，如果正確就會將訊息向上傳遞給上一階層的Protocol Layer。 ，訊息完整傳遞流程參考圖三及圖四。

• USB PD3.1 EPR Source Capabilities

在封包部分於PD 3.1 Spec中新增了EPR_Source_Capabilities支援EPR供電規格，都會增加在此訊息中，在封包Data Object的前7組填入的是SPR PDO資訊，如果內容若SPR PDO資訊不足7組，則寫入0補滿。(內容需要與Source_Capabilities一樣)，從第8組就是EPR PDO內容，最多可以填到第13組，順序是由Fixed PDO電壓由低到高，最後接著一組AVS APDO。請參考圖五

• ERP mode Handshake process:

當進入EPR模式之前，Source/Sink雙方則需要先建立Explicit PD Contract，屆時雙方分別在Source Capabilities與Request訊息中各自宣告自己是否有支援EPR模式，作為後續若要進EPR模式的參考依據。關於進入EPR模式需要的溝通與檢視過程，流程如下：

 會發送EPR_Mode訊息，封包中的Data Object中設定為Enter，表示 該device有support ERP mode，目前將要進EPR溝通模式。

 會檢查雙方都有支援EPR模式後，當下需判斷source side power solution是否有能力支援EPR Mode供電。 如果可以，則會傳遞EnterAcknowledged的EPR_Mode訊息， 表示Source目前狀態允許進EPR溝通模式。(反之則會回到SPR Mode)

若以上確認都沒問題，接著Source會傳送封包中的Data Object設定為Enter Succeeded的EPR_Mode訊息給Sink，此時成功進入EPR模式並進入下一階段步驟。請參考表六

接下來進入ERP mode溝通後，Source會傳遞EPR_Source_Capabilities，宣告EPR模式供電能力。Sink則會依據需求填入相關PDO訊息並發送EPR_Request回傳送給Source。當Source確認可滿足要求後會回傳Accept，之後則會確認Source and Sink時間同步與供電狀態後，就會發送PS_RDY完成結束此回的溝通。

在EPR模式中Source會持續監測CC狀態，如果CC狀態閒置過久Source即會發起Hard Reset(Retry機制)，當下將會導致EPR溝通模式中斷，因此Sink每隔一段時間要傳送EPR_KeepAlive訊息以維持一直處於EPR模式中，當Source收到此訊息會回應 GoodCRC與EPR_KeepAlive_Ack，並且重置計時器。(如果中斷情況則會回到SPR Mode)

最後在複雜的應用環境中Source/Sink可能因為某些因素，導致任何一方想要回到 SPR模式，這個時候必須先將VBUS電壓下降到20V以下狀態，如此可以避免讓Source/Sink 受損，如此對雙方裝置來說較為安全，其操作方式有兩種如下：

- Sink發送EPR_Request，並在封包內容中設定只要求SPR PDO，亦即不包含 EPR PDO。
- Source發送EPR_Source_Capabilities重新溝通，封包中宣告不包含EPR PDO。

上述兩個動作擇一完成後，電壓就會下降到20V或以下，此時雙方Source/Sink任一方都可發起EPR_Mode並將封包中Data Object中設定為Exit，表示要離開EPR模式，當任何一方發出這個訊息後，Source需在tFirstSourceCap參數時間內送Source Capabilities，以重新建立PD Contract，並回到SPR模式。溝通模式請參考圖六

USB PD3.1相較於以往USB PD3.0定義較多的限制，包含EPR模式允許使用的電壓選擇與以往不同，少了選擇性支援的彈性空間，並且產品必須導入EPR模式的運作方式等等，為的是在擴充功能的同時，更嚴謹的審視安全性並且提升產品間的相容性，因此未來將要導入的產品，於產品規格需要更謹慎評估與應用這項功能。依據產品 應用設計規劃USB PD相關產品,如圖七有完整的產品線支援以及搭配的Power solutions選擇，可做為設計參考。

［1］USB Power Delivery , USB Enabling Connections, https://www.usb.org/document-library/usb-power-delivery

［2］USB Type-C® Cable and Connector Specification Revision 2.1, USB Enabling Connections, https://usb.org/document-library/usb-type-cr-cable-and-connector-specification-revision-21

［3］技術文章, GRL, https://graniteriverlabs.com.tw/presentation-publications/

［4］Genesys PD controller related Products