从零开始认识 USB PD

“USB 充电器不就是正负两根线连起来吗?”

充电器和手机,
其实一直在对话。

它们不仅传输电力,还会协商“使用什么电压、最多允许多少电流”。这是理解现代 USB-C 充电的起点。

01

“正极和负极”,只说对了一半。

供电需要送出电力的通路与返回通路,但 USB 不仅负责供电。这里以两端都是 USB-C 的充电连接为例,把功能分为三种。[2][3]

充电器
+ 输送电力 · VBUS
− 电流返回 · GND
协商供电条件 · CC
手机
此图按功能分类,不表示实际只有三根线。真实 USB-C 还有多个电源触点及数据等其他触点,这不是接线图。
VBUS / GND

电力通路

VBUS 提供电源,GND 是返回通路。USB PD 达成协议后,可以改变 VBUS 的电压。

CC

确认连接与协商的通道

CC 可检测设备连接与插头方向。USB-C 的 PD 消息也通过 CC 通道交换。这里的“对话”是短小的电信号消息,并不是声音。

USB DATA

照片与文件的通道

协商充电与传输 USB 数据是不同功能。接口外形相同,不代表充电能力与数据传输速度也相同。

USB-C 是接口形状,USB PD 是协商供电的规则。

看到 USB-C,不代表一定支持 PD、快充或视频输出。把接口形状与产品功能分开考虑,会更容易理解。[4]

02

先认识三个单位就够了。

先理解它们的区别,不用死记硬背。

V

伏特/电压

推动电流的“力量”

可以粗略类比水压。5V、9V、20V 等,是协商时选择的条件。

A

安培/电流

实际流动的电荷量

准确说是每秒流过的电荷量。它会随设备的工作情况变化,并非一直达到允许上限。

W

瓦特/功率

当下使用能量的速度

USB 使用直流,功率为电压 V × 电流 A。9V 时实际流过 2A,就是 18W。

水压只是帮助理解的类比,并不是说电与水的行为完全相同。

试着改变 V 与 A

按照这些数值
18 W

9 V × 2 A

这里只演示乘法,不发送电压请求,不测量设备,也不判定设备是否支持这些条件。

03

看看插上之后,它们说了什么。

以下是从 5V 成功切换到 9V 的一个例子。充电器提供可选条件,手机选择自己支持的一项,并不会未经协商就升高电压。[2]

此为说明用演示,未连接真实设备、通信或测量。省略了拒绝、重试与详细接收确认等过程。

先确认已经连接

连接检测

发现设备连接,先从 5V 开始。

这里描述 CC 连接检测,并不是说这句话会作为一条 PD 消息发送。

Attach / 5V

充电器给出“菜单”

充电器 → 手机

我可以提供 5V、9V、15V 或 20V,每种最多 3A。

充电器声明可供选择的电压与电流条件。PDO 相当于菜单中的一项。这个示例菜单最高为 60W。

Source_Capabilities

手机选择希望使用的条件

手机 → 充电器

请让我使用 9V、最多 2A 的条件。

设备请求自己支持的条件。这里的 2A 是请求的电流上限,并不是要求始终流过 2A。

Request

充电器同意并开始准备

充电器 → 手机

同意,现在切换到 9V。

Accept 表示接受条件,仅凭这一条响应,还不能确认已经开始以 9V 充电。

Accept

充电器通知准备就绪

充电器 → 手机

9V 已准备好,可以使用了!

PS_RDY 是电源准备就绪通知。手机在协商范围内使用电力,实际电流与功率仍须另外测量。

PS_RDY

协商不代表开始时完全不供电。符合规范的 USB-C 连接会先检测连接并开始提供 5V,再按需要通过 PD 协商其他电压。有些设备会一直使用 5V。[2][3]

“最多可以用 18W”,不等于“现在正在用 18W”。

餐厅递给你一份大菜单,并不会要求你一次吃完所有菜。充电器声明的是可提供的条件;设备实际使用多少,会随电池电量、温度、屏幕工作情况与内部充电控制等变化。[1]

这 9V 会直接接到电池上吗?

不会。手机内部的电源与充电电路会调整输入电源,用于设备运行与电池充电。USB 连接处看到的电压,并不是电池自身的电压。

04

线缆也不只是“一根绳子”。

即使充电器与手机都支持,线缆也必须支持相应的条件。充电速度和大功率输出,并非由充电器单独决定。

充电器

能提供哪些条件?

线缆

支持这样的电压与电流吗?

设备

能接收哪些条件,现在又需要多少?

有些线缆,内部带着“名牌”。

e-marker 是一颗可报告线缆能力等信息的小芯片。并非每条线缆都有。例如,使用超过 3A 的电流或 EPR,需要支持相应条件、带电子标记的线缆。[2]

读取名牌不等于测试了线材质量或实际带载输出。充电能力与数据传输速度,也要分别确认。

05

你可能还想问……

240W 充电器会把 240W 强行送进手机吗?

符合规范的组合不会这样工作。240W 表示充电器在适当条件下的最大能力。设备会协商自己支持的条件,并使用所需电力。达到 240W 也需要设备与线缆同时支持。

为什么同一个充电器,快充满时反而变慢?

管理电池的设备可能随着充电进度降低电流,温度和运行情况也会影响充电。仅凭显示功率较小,不能断定充电器故障。

不支持 USB PD,就不能通过 USB-C 充电吗?

不是。USB-C 也可不交换 PD 消息,直接在 5V 条件下供电。CC 连接检测与电流能力通知,和 PD 消息的交换是不同机制。

以前方形 USB-A 充电器也这样协商吗?

本页介绍的是现代 USB-C 对 USB-C 的 PD 充电。USB-A 也可能使用 D+/D− 等进行其他充电协商,机制不一定相同。以前的 USB 连接也不是一律只有两根线。

PPS、EPR 是什么,现在必须记住吗?

先知道名称即可。PPS 可在声明范围内细调电压;EPR 支持更高电压,将功率范围扩展到最高 240W。EPR 也有自己的进入流程,并不是直接接上 48V 就行。

电脑为什么也能给手机充电?

供电方称为 Source,受电方称为 Sink。Source 不一定是插在插座上的充电器,有些设备可承担两种角色,在支持时也能交换角色。

读日志时的一本小词典。

USB PD
交换供电条件的一套规则,PD 是 Power Delivery 的缩写。
协议
设备彼此能理解的消息格式与交互流程。
Source / Sink
供电方/受电方。本例分别为充电器与手机。
PDO
供电菜单中的一项,包含支持的电压、电流等条件。
GoodCRC
确认收到消息,与接受供电条件的 Accept 不同。
PS_RDY
通知电源准备就绪的消息,并非实际耗电量的测量值。

读到这里,你已经可以看真正的对话了。

不用记住全部术语,先关注“菜单 → 请求 → 同意 → 准备好”的顺序。

说明范围与参考资料

本页简化介绍常见的 USB-C 对 USB-C PD 连接,不涵盖全部消息、充电方式与规范细节。图示与对话均为本页原创的说明材料。

  1. USB-IF:USB Power Delivery 与 240W
  2. Texas Instruments:USB-C 基础与 PD 协商(PDF)
  3. Microchip:CC 与 VCONN 的作用
  4. USB-IF:USB Type-C 简介