一种基于Type-C PD协议的手机快速充电方案

引言

快速充电技术无疑是目前智能手机厂商研发和宣传的重点之一，其方案包括高通的Quick Charge，联发科的Pump Express，以及自主研发的私用技术等等。这些技术的充电协议不同，相互之间无法快速充电。随着USB Type-C接口的普及，Power Delivery（PD） 协议不仅为包括手机在内的所有采用Type-C接口的电子设备提供了统一的快速充电标准，而且加速了电池直充方案的研发和普及。本文结合实际项目，完成了一套完整的基于PD协议的手机快充系统，包括了手机和充电器的软硬件设计，灵活的可编程充电协议和完善的充电流程。此方案已经成功地应用到知名品牌的手机产品中，取得了很好的效果。

一 PD充电器硬件结构

典型的手机充电器的硬件结构（以基于Dialog方案的高通QC2.0快充协议为例）如图 1所示。iW626作为QC2.0协议控制器，经由USB口的D+/D-信号和手机侧AP进行供电协商，然后通过光耦控制原边的AC/DC控制器iW1780完成输出电压的调整。

图 1 基于Dialog方案的高通QC2.0快充协议的充电器硬件框图

基于PD协议的充电器电路可以维持AC/DC部分不变，只是将QC协议控制器替换为PD控制器[1]，比如Cypress半导体的CCG2（Type-C Controller Generation 2）. CCG2 是最早通过USB-IF认证的PD控制器之一，内部包含ARM® Cortex®-M0处理器和完备的PD协议收发器，可以满足充电器，主机，附件，EMAC线缆等各种支持Type-C口的应用，在苹果，联想，HP，Dell，小米，乐视等一线品牌客户都有众多的量产案例。

采用CCG2PD控制器和Dialog AC/DC控制器的充电器电路简图如图 2所示，CCG2通过Type-C口的CC信号和手机AP进行PD协议沟通，然后通过PWM控制光耦将电压和电流需求反馈到AC/DC进行输出调节。CCG2会通过采样VBUS来保证PD协议状态机的可靠运转，并且根据PD状态通过MOSFET控制VBUS的通断。另外CCG2也可以通过D+/D-支持QC3.0协议, 在同一个Type-C口上实现PD和QC的共存（实际工作时两者不能同时起用，用户可以定义优先级和使能策略）。PD快充除了可以进行调压充电，还可以进行电流调节，实现电流精调或者大电流充电甚至直充。CCG2可以使用内部ADC进行电压电流采样，进行闭环控制和OVP/OCP/UVP保护。CCG2的保护机制是软件控制的，因此实时性不够，可以充当AC/DC控制器保护的辅助或者冗余。Cypress的第三代PD控制器CCG3在精简BOM的同时，集成了内部硬件的OCP/OVP等保护机制，提高了ADC精度，提供了最优的大电流直充方案，已经在多个手机客户开始了评估设计。

图 2 基于Cypress CCG2方案的PD和QC快充协议的充电器硬件框图

二 TYPE-C PD 控制器

本设计在充电器和手机侧都采用了赛普拉斯第二代Type-C PD控制器 CCG2。手机侧芯片支持死电池（Dead Battery）充电，同时采用了1.6mm*2.0mm 的CSP封装，外部器件也仅有几个电阻电容，节省了布局布线面积[2]；充电器则采用QFN封装的芯片，降低贴片和测试成本，并且解决了无220V AC输入时连接手机的漏电问题。 CCG2使用了带有 32 KB闪存的 32 位48 MHz ARM® Cortex®-M0 处理器，具有完备的USB-PD子系统，如图 3所示。该子系统包含一个USB Type-C收发器和物理层逻辑，收发器执行BMC 和4b/5b 编码、解码功能以及1.2 V的前端偏置，而且还集成了完成TYPE-C连接所需的终端电阻RP (DFP)、RD (UFP)和RA (EMCA)，无需复杂的外围电阻或者电流源阵列。CCG2可以支持PD2.0的所有协议以及PD3.0在充电领域的协议，足以满足快速充电或者直充的需求。CCG2内部的高精度SAR（逐次逼近寄存器）ADC，可以实现对于电压电流的数据采集，实现AC/DC之前的另一级闭环控制或者监控，实现完美的TYPE-C端口供电控制解决方案。

图 3 CCG2控制器的USB-PD子系统

另外，CCG2采用了赛普拉斯的典型PSoC架构（PSoC Programmable System on Chip），在一个MCU内核周围集成了丰富的可配置的模拟和数字外围器件阵列，利用芯片内部的可编程互联阵列，用户可以直观有效地根据实际需求配置芯片上的模拟和数字资源，实现定制化的嵌入式系统。一个PSoC器件最多可集成上百种外设功能，从而帮助客户节约设计时间和板上面积，降低了功耗和系统成本。

三 PD充电的软件实现

PD充电系统从低到高整体分为三个层次：Type-C连接层，PD协议层和充电策略层。Type-C 连接层需要保证Type-C设备互联时能正确稳定建立连接关系，并且避免出现协商过程、角色确认、供电输出等环节的反复；PD协议层提供了连接双方沟通的链路和规范；充电策略是核心技术，需要手机开发者根据长期的经验积累和实际项目