USB-PD协议解析：简单易懂的技术详解

USB-PD协议解析：简单易懂的技术详解

USB-PD（USB Power Delivery）协议是基于USB3.1中的Type-C接口制定的，支持最高100W的功率传输。该协议允许设备自主协商采用相对应的功率进行充放电，未来大部分的电子设备可以通过一根Type-C电缆完成充电。本文将详细介绍USB-PD协议的通信流程、数据包格式、编码方式等技术细节，并附有实例分析和代码示例。

1. 简介

USB PD（USB Power Delivery）协议是基于USB3.1中的Type-C接口制定的，是基于USB1.0、USB2.0、USB3.0升级产物。USB PD标准分10W、18W、36W、60W和100W五级“规格”，电压采用5V、12V、15V和20V，电流为1.5A、2A、3A和5A，最高可达100W。根据设备间的通讯握手成功，自主协商采用相对应的功率进行充放电。另外它还是双向的，可以相互转化角色就是电力供应，未来大部分的电子设备通过一根Type C电缆就可以完成充电，这就意味着可以把传统的充电接口省掉。

完成USB PD协议的通讯与解析，需要一颗处理器，也就是MCU，另外还能从电气特性上能符合type C物理层的要求，目前cypress的CCG2、CCG3，国内知名电源厂商英集芯的IP2716都是不错的选择。

快速充电技术规范的PPS(Programmable Power Supply)

• USB PD 3.0：同时覆盖高压低电流、低压大电流
• USB PD 3.0：规范了电压输出范围：3.0V～21V，步进调幅电压为20mV。

注意：有 Type-C 输出的，不一定是支持 USB-PD 协议充电器；支持 USB-PD 协议的充电器，一定是 Type-C 输出的。

2. USB PD3.0 通信流程

2.1 发送数据包

1. 接收来自协议层的数据包；
2. 进行CRC校验；
3. 将CRC校验结果编码到数据包上；
4. 将校验后的数据包通过信号线传送出去；

2.2 接收数据包

5. 恢复时钟，并锁定到数据包的前导码上；
6. 检测SOP；
7. 解码接收到的数据，包括CRC；
8. 判断接收到的数据是否是有效数据。

2.3 双相标记编码（BMC）

BMC是有效的DC平衡（每个1是DC平衡的，两个连续的零是DC平衡的，不管中间1的个数是多少）。

2.4 符号编码(4B5B)

除前导码外，线路上的所有通信应使用4B5B线路代码进行编码。发送时将4位数据编码为5位符号以供传输，接收时需将5位符号解码为4位数据以供接收器使用。

4B5B代码提供数据编码和特殊符号，使用特殊符号来表示硬重置，并描绘数据包边界。

3. 数据包格式

数据包格式包括前导码、SOP*、数据包数据（包括消息头、CRC和EOP）。 数据包格式如图3-1所示，并指明数据包的哪些部分应进行4b/5b编码。一旦4b/5b编码，整个包应通过CC使用BMC传输。注意，数据包中的所有比特，包括前导码，都是BMC编码的。

3.1 前导码（Preamble）

前导码由交替“0”和“1”的64位序列组成（以“0”开头，以“1”结尾）。并且，前导码不应被4b/5b编码。接收器应能容错第一个跳变沿丢失。发射机可以通过tStartDrivemin改变前导码的开始（见图5-10）。

tStartDrivemin：发射机驱动线路时，发送前导码首位前的时间。所以，根据tStartDrive及表2-3-2的tUnitInterval，前导码的第一个逻辑位时间范围为2.03~4.70 us。

3.2 SOP*（Start of Packet Sequence）

SOP/SOP’/SOP”统称为SOP*。接收器应搜索所有四个K码，当在正确的位置发现四个K码中的三个或四个时，可以将其解释为有效的有序集。

在表3-2的最后两列，可以看到复位帧（Hard Reset及Cable Reset）。

3.3 有效载荷（Packet Payload）

规范定义了三种类型的消息：

1. 控制短消息：用于管理端口伙伴之间的消息流或交换不需要额外数据的消息，长度：16。
2. 数据信息：长度：48b~240b。数据信息有3种： ①展现功能及谈判力，②用于BIST的， ③供应商定义的。
3. 扩展消息：长度：最多MaxExtendedMsgLen字节。有以下 几种类型：①电源和电池信息；②用于安全的；③固件更新用的；④供应商定义的。

如图3-3-1所示，16-bit 信息头（Message Header ）的各位信息如下所示：

15：Extended：扩展字段；为1时为扩展消息，为0时为控制消息或数据消息。
1412：Number of Data Objects：有效荷载的数据数量，当字段为零时，表示当前为控制信息，否则为数据信息。
40：Message Type：数据类型：有效荷载的数据类型。

3.4 CRC

CRC：32bit，计算除帧符号（Preamble，SOP*,EOP）之外的有效载荷的所有字节。

3.5 EOP

EOP：01101 参考表2-4。

4.USB-PD通信实例实测

本实例使用Kingst LA5016 usb 逻辑分析仪检测USB-PD协议数据通讯。下图是一个完整的数据包分析截图。从图中可以看到，LA5016的USB-PD解析模块，将协议数据分为6部分：Reset condition（主机复位）、Presence condition（从机应答）、主机发送ROM命令、从机回应ROM命令、主机发送功能命令解析及从机回应功能命令解析。

下图为USB-PD协议设置截图，其中CC为目标数据通道，同时可以设置是否显示Marker点。