USB Type-C PD spec (1)

1、PD Overview

1.1、Introduction

USB PD(Power Delivery) 主要功能：

• 端口间协商电压、电流以及功率方向 (通过 Type-C CC 通道)
  • 电压可比其他标准规范更高或更低
  • 电流可比其他标准规范更高
• 支持与电缆组件通讯，发现支持的标准或供应商模式，允许多种 mode 同时运行
  • 只有 VCONN Source 才能与线缆组件通讯
  • 可发生在显性契约之前或之后
• 供电模式的两种契约
  • 显性契约：Source 发送 Capabilities，Sink 请求特定 Capability，Source 接受该请求并提供指定的功率
  • 隐性契约：在发生 PR_Swap 或 FR_Swap 后允许的暂时的指定功率水平，而后必须建立显性契约
  • 支持 Source/Sink，DFP/UFP，VCONN Source 通过指令互换

1.2、USB PD 发展历程

1.3、USB Power Delivery Capable Devices

UFP

1. Sink power
2. 可选择地提供电源 (DRP)
3. 可选择地通过 USB 进行数据通讯 (USB Device)
4. 用 SOP 进行通讯
5. 可选择地用 SOP* 进行通讯

DFP

1. Source power
2. 可选择地汲取电源 (DRP)
3. 可选择地通过 USB 进行数据通讯 (USB Host)
4. 用 SOP 进行通讯
5. 可选择地用 SOP* 通讯

Source

1. 可以是外部电源 (AC)、可以是蓄电装置 (电池)
2. 可以源自另一个端口(例如总线供电的 Hub)

Sink

1. 可以是蓄电装置(电池)
2. 用于给内部功能供电的设备
3. 用于给其它设备供电的设备 (Hub)

VCONN Source

1. 可以是任一端口，既可以是 DFP/UFP，也可以是 Source/Sink
2. 为电缆插头供电
3. 唯一允许与电缆插头通讯的端口

High Level Architecture View

USB Power Delivery Communications Stack

设备策略管理器 (DPM)：根据设备本地策略管理一个或多个端口

策略引擎：为端口实施本地策略

协议层：使消息在端口间交换

物理层：处理线路上比特数据的传输和接收

1.4、SOP* Communication

SOP：Start of Packet

• SOP* ：用于区分通讯对象，通过单线 CC 通讯
  • SOP' 和 SOP'' 分配是固定的，不会动态更改
  • 通讯过程均是 VCONN SRC 发起和控制
  • 无契约或隐性契约阶段，仅允许 SRC 端口 (VCONN SRC) 与电缆插头通讯。SNK 丢弃收到的 SOP'/SOP''
  • 显性契约阶段，只要是 VCONN SRC 的端口，即可与电缆插头通讯。非 VCONN SRC 不识别 SOP'/SOP''
  • 只有是 DFP 又是 VCONN SRC，允许发送 SOP* 来控制进入/退出 Alt Mode 和管理相应的操作模式
  • 不能被任何电缆插头识别
  • 优先级高于 SOP'/SOP''，可打断 SOP'/SOP'' 通讯，不会导致复位
  • SOP : 用于 Source 与 Sink 端口之间通讯
  • SOP'/SOP''：用于端口与电缆插头间通讯

1.5、Operational Overview

Source Operation

• 在 Attach 时 (无 PD Connection 和 PD 契约)
  • 检测 SNK 的 attach 状态，之后拉高 VBUS 到 5V
• 在 PD Connection 前(无 PD Connection 和 PD 契约)
  • 每隔 tTypeCSendSourceCap(150ms) 发送 SRC_CAP 来通告供电能力
  • 发送 SRC_CAP 之前，可先检测电缆类型，根据类型更改其通告的供电能力
  • TypeC 电缆支持的电流默认是 3A，通过 SOP’ 通讯可获得电缆支持传输的最大电流
• 建立 PD Connection 时(无 PD Connection 和 PD 契约)
  • 收到响应 SRC_CAP 的 GoodCRC
• 建立显性契约时 (PD Connection 但无显性契约或 PR_Swap/FR_Swap 之后的隐性契约)
  • 接收到 SNK 的有效请求，然后回应 Accept 消息，准备好商定的供电功率，并发送 PS_RDY 消息，建立起显性契约
  • 不生成 SOP'/SOP'' 包的 DFP，无需检测 SOP'/SOP'' 包，检测到也须丢弃
• 在 PD Connection 期间 (显性契约-PE_SRC_Ready 状态)
  • 可控制电缆插头中模式的进入和退出并控制 mode 操作
  • 可发起非结构化或结构化 VDM
  • 可控制 SNK 进入和退出模式，并使用结构化 VDM 控制模态操作
  • 发起或收到 SOP 时，都会打断 SOP'/SOP'' 通信
  • 当供电能力发生变化时，发送 SRC_CAP 通知 Sink
  • 在 CC 上断言 Rp
  • 端口是 DRP 时，可发起或接受 PR_Swap 请求进行电源角色交换(隐性契约->显性契约)
  • 端口是 DRD 时，可发起或接受 DR_Swap 请求进行数据角色交换
  • 可发起或接受 VCONN_Swap 请求，交换期间遵循先通后断原则
  • 根据本地策略发送消息，并处理和响应所有收到的消息
  • 是 VCONN SRC 时，可使用 SOP'/SOP'' 与电缆插头通信
  • 是 DFP 时
  • 是多端口系统中的一部分时，在需要保留功率时发出 GotoMin 请求
• 断开或通信失败
  • 在 CRCReceiveTimer 超时后的 tSoftReset 内，发起 Soft Reset
  • 如果 Soft Reset 无法完成，则会在 CRCReceiveTimer 超时后的 tHardReset 内发起 Hard Reset
  • 是 VCONN SRC 时，VCONN 也将在 Hard Reset 期间重新上电
  • 用 CC 检测到断开时，VBUS 将在 tSafe5V 内降至 Safe5V，在 tSafe0V 内降至 vSafe0V
  • 在 tReceive 内检测不到响应消息的 GoodCRC 时
  • 在 SPR PPS 模式下运行时未能在 tPPSTimeout 内收到 SNK 的周期性通讯时将发起 Hard Reset
  • 在 EPR AVS 模式下运行时未能在 tSourceEPRKeepAlive 内收到 SNK 的周期性通讯时将发起 Hard Reset

Sink Operation

• 在 Attach 时 (无 PD Connection 和 PD 契约)
  • 通过检测 vSafe5V 来确定 SRC 的连接
  • 连接后等待 Source_capabilities 消息来检测 SRC 支持 PD
  • 在 tTypeCSinkWaitCap 内未收到 SRC_CAP，则发起硬复位，以使 SRC 重新发 SRC_CAP
  • 不生成 SOP'/SOP''，且无需检测并丢弃 SOP'/SOP''
• 建立 PD Connection 时 (无 PD Connection 和 PD 契约)
  • 收到 SRC_CAP 并以 GoodCRC 响应
  • 不生成 SOP'/SOP''，且无需检测并丢弃 SOP'/SOP''
• 建立显性契约时 (PD Connection 但无显性契约或 PR_Swap/FR_Swap 之后的隐性契约)
  • 以 Request 消息响应 SRC 的 Source_Capabilities 消息。当 SRC 准备好商定的功率时，SNK 收到 Accept 消息和 PS_RDY 消息，建立起显性契约
• 在 PD Connection 期间 (显性契约 - PE_SNK_Ready 状态)
  • 可控制 SRC 进入和退出模式，并使用结构化 VDM 控制模态操作
  • SOP 的接受和发起都会中断 SOP'/SOP'' 的通信
  • 也是 DFP 时，可控制电缆插头进入和退出模式并控制模态操作
  • 根据本地策略发送消息，并处理和响应所有收到的消息
  • 工作在 SPR PPS 模式时会周期性地每隔 tPPSRequest 发送 Request 消息
  • 工作在 EPR AVS 模式时会周期性地每隔 tSinkEPRKeepAlive 与 SRC 通信
  • 始终在其 CC 线上断言 Rd
  • 端口是 DRP 时，可发起或接受 PR_Swap 请求进行电源角色交换(隐性契约->显性契约)
  • 端口是 DRD 时，可发起或接受 DR_Swap 请求进行数据角色交换
  • 可发起或接受 VCONN_Swap 请求，交换期间遵循先通后断原则
  • 是 VCONN SRC 时，可使用 SOP'/SOP'' 与电缆插头通信
  • 是 DFP 时，可发起非结构化或结构化 VDM
• 断开或通信失败
  • 在 CRCReceiveTimer 超时后的 tSoftReset 内，发起 Soft Reset
  • 如果 Soft Reset 无法完成，则会在 CRCReceiveTimer 超时后的 tHardReset 内发起 Hard Reset
  • 除硬复位、DR_Swap、FR_Swap 造成的情况
  • 检测到 VBUS 移除则认为 PD Connection 结束
  • 检测到插头移除并释放 VBUS
  • 在 tReceive 内检测不到响应消息的 GoodCRC 时
  • 在 SPR PPS 模式下运行时未能周期性地在 tPPSTimeout 内发起通讯，SRC 将发起 Hard Reset
  • 在 EPR 模式下运行时未能周期性地在 tSourceEPRKeepAlive 内发起通讯，SRC将发起 Hard Reset
  • 功率转换期间出错将自动导致 Hard Reset

SRC/SNK 出错处理

• 协议错误由任一端口发起 Soft_Reset 消息，以重置计数器、计时器和状态，不改变商定好的电压、电流、端口角色以及工作模式
• 严重错误由任一端口发起 Hard Reset 处理
  • 重置协议，电源会恢复为 USB 默认状态 (vSafe0V 或 vSafe5V) 以保护 SNK
  • 将端口数据角色恢复为 DFP (对于 SRC)或 UFP(对于 SNK)
  • sink 为 VCONN SRC 时，SNK 断开 VCONN，由 SRC 提供 VCONN
  • 退出所有活动模式，不再处于 mode 操作中
• 硬复位后
  • SRC 在 tNoResponse 内等待 SNK 响应。如果无响应，则会进一步发起 nHardResetCount 次硬复位，仍无响应会进入 ErrorRecovery 状态
  • SNK 在 tTypeCSinkWaitCap 内等待 SRC 响应。如果无响应，会有进一步发起 nHardResetCount 次硬复位。

Cable Plugs Operation

• 电缆插头不主动发起通讯，只响应消息
• 断开或通信失败
  • 通信可能随时被中断
  • DFP/UFP 和电缆插头之间没有通信超时方案
  • 会响应重复的请求
• 出错处理
  • 电缆插头本身不产生硬复位信号
  • 因硬复位过程会重启 VCONN，电缆插头会自行复位
  • 检测 Hard Reset 来确定 SRC 和 SNK 已被复位，并自行复位
  • 检测 Cable Reset 来确定是否自行复位

1.6、Charging Models

Fixed Voltage Charging Models

Programmable Power Supply (PPS) Charging Models

Adjustable Voltage Supply (AVS) Charging Models