從零開始認識 USB PD

“USB 充電器不就是正負兩根線連起來嗎?”

充電器和手機,
其實一直在對話。

它們不僅傳輸電力,還會協商“使用什么電壓、最多允許多少電流”。這是理解現代 USB-C 充電的起點。

01

“正極和負極”,只說對了一半。

供電需要送出電力的通路與返回通路,但 USB 不僅負責供電。這裡以兩端都是 USB-C 的充電連接為例,把功能分為三種。[2][3]

充電器
+ 輸送電力 · VBUS
− 電流返回 · GND
協商供電條件 · CC
手機
此圖按功能分類,不表示實際只有三根線。真實 USB-C 還有多個電源觸點及資料等其他觸點,這不是接線圖。
VBUS / GND

電力通路

VBUS 提供電源,GND 是返回通路。USB PD 達成協定后,可以改變 VBUS 的電壓。

CC

確認連接與協商的通道

CC 可檢測設備連接與插頭方向。USB-C 的 PD 訊息也通過 CC 通道交換。這裡的“對話”是短小的電信號訊息,並不是聲音。

USB DATA

照片與檔案的通道

協商充電與傳輸 USB 資料是不同功能。連接埠外形相同,不代表充電能力與資料傳輸速度也相同。

USB-C 是連接埠形狀,USB PD 是協商供電的規則。

看到 USB-C,不代表一定支援 PD、快充或影片輸出。把連接埠形狀與產品功能分開考慮,會更容易理解。[4]

02

先認識三個單位就夠了。

先理解它們的區別,不用死記硬背。

V

伏特/電壓

推動電流的“力量”

可以粗略類比水壓。5V、9V、20V 等,是協商時選擇的條件。

A

安培/電流

實際流動的電荷量

準確說是每秒流過的電荷量。它會隨設備的工作情況變化,並非一直達到允許上限。

W

瓦特/功率

當下使用能量的速度

USB 使用直流,功率為電壓 V × 電流 A。9V 時實際流過 2A,就是 18W。

水壓只是幫助理解的類比,並不是說電與水的行為完全相同。

試著改變 V 與 A

按照這些數值
18 W

9 V × 2 A

這裡只演示乘法,不發送電壓請求,不測量設備,也不判定設備是否支援這些條件。

03

看看插上之后,它們說了什么。

以下是從 5V 成功切換到 9V 的一個例子。充電器提供可選條件,手機選擇自己支援的一項,並不會未經協商就升高電壓。[2]

此為說明用演示,未連接真實設備、通信或測量。省略了拒絕、重試與詳細接收確認等過程。

先確認已經連接

連接檢測

發現設備連接,先從 5V 開始。

這裡描述 CC 連接檢測,並不是說這句話會作為一條 PD 訊息發送。

Attach / 5V

充電器給出“菜單”

充電器 → 手機

我可以提供 5V、9V、15V 或 20V,每種最多 3A。

充電器聲明可供選擇的電壓與電流條件。PDO 相當于菜單中的一項。這個範例菜單最高為 60W。

Source_Capabilities

手機選擇希望使用的條件

手機 → 充電器

請讓我使用 9V、最多 2A 的條件。

設備請求自己支援的條件。這裡的 2A 是請求的電流上限,並不是要求始終流過 2A。

Request

充電器同意並開始準備

充電器 → 手機

同意,現在切換到 9V。

Accept 表示接受條件,僅憑這一條回應,還不能確認已經開始以 9V 充電。

Accept

充電器通知準備就緒

充電器 → 手機

9V 已準備好,可以使用了!

PS_RDY 是電源準備就緒通知。手機在協商范圍內使用電力,實際電流與功率仍須另外測量。

PS_RDY

協商不代表開始時完全不供電。符合規范的 USB-C 連接會先檢測連接並開始提供 5V,再按需要通過 PD 協商其他電壓。有些設備會一直使用 5V。[2][3]

“最多可以用 18W”,不等于“現在正在用 18W”。

餐廳遞給你一份大菜單,並不會要求你一次吃完所有菜。充電器聲明的是可提供的條件;設備實際使用多少,會隨電池電量、溫度、螢幕工作情況與內部充電控制等變化。[1]

這 9V 會直接接到電池上嗎?

不會。手機內部的電源與充電電路會調整輸入電源,用于設備運行與電池充電。USB 連接處看到的電壓,並不是電池自身的電壓。

04

線材也不只是“一根繩子”。

即使充電器與手機都支援,線材也必須支援相應的條件。充電速度和大功率輸出,並非由充電器單獨決定。

充電器

能提供哪些條件?

線材

支援這樣的電壓與電流嗎?

設備

能接收哪些條件,現在又需要多少?

有些線材,內部帶著“名牌”。

e-marker 是一顆可報告線材能力等資訊的小芯片。並非每條線材都有。例如,使用超過 3A 的電流或 EPR,需要支援相應條件、帶電子標記的線材。[2]

讀取名牌不等于測試了線材質量或實際帶載輸出。充電能力與資料傳輸速度,也要分別確認。

05

你可能還想問……

240W 充電器會把 240W 強行送進手機嗎?

符合規范的組合不會這樣工作。240W 表示充電器在適當條件下的最大能力。設備會協商自己支援的條件,並使用所需電力。達到 240W 也需要設備與線材同時支援。

為什么同一個充電器,快充滿時反而變慢?

管理電池的設備可能隨著充電進度降低電流,溫度和運行情況也會影響充電。僅憑顯示功率較小,不能斷定充電器故障。

不支援 USB PD,就不能通過 USB-C 充電嗎?

不是。USB-C 也可不交換 PD 訊息,直接在 5V 條件下供電。CC 連接檢測與電流能力通知,和 PD 訊息的交換是不同機制。

以前方形 USB-A 充電器也這樣協商嗎?

本頁介紹的是現代 USB-C 對 USB-C 的 PD 充電。USB-A 也可能使用 D+/D− 等進行其他充電協商,機制不一定相同。以前的 USB 連接也不是一律只有兩根線。

PPS、EPR 是什么,現在必須記住嗎?

先知道名稱即可。PPS 可在聲明范圍內細調電壓;EPR 支援更高電壓,將功率范圍擴展到最高 240W。EPR 也有自己的進入流程,並不是直接接上 48V 就行。

電腦為什么也能給手機充電?

供電方稱為 Source,受電方稱為 Sink。Source 不一定是插在插座上的充電器,有些設備可承擔兩種角色,在支援時也能交換角色。

讀紀錄時的一本小詞典。

USB PD
交換供電條件的一套規則,PD 是 Power Delivery 的縮寫。
協定
設備彼此能理解的訊息格式與交互流程。
Source / Sink
供電方/受電方。本例分別為充電器與手機。
PDO
供電菜單中的一項,包含支援的電壓、電流等條件。
GoodCRC
確認收到訊息,與接受供電條件的 Accept 不同。
PS_RDY
通知電源準備就緒的訊息,並非實際耗電量的測量值。

讀到這裡,你已經可以看真正的對話了。

不用記住全部術語,先關注“菜單 → 請求 → 同意 → 準備好”的順序。

說明范圍與參考資料

本頁簡化介紹常見的 USB-C 對 USB-C PD 連接,不涵蓋全部訊息、充電方式與規范細節。圖示與對話均為本頁原創的說明材料。

  1. USB-IF:USB Power Delivery 與 240W
  2. Texas Instruments:USB-C 基礎與 PD 協商(PDF)
  3. Microchip:CC 與 VCONN 的作用
  4. USB-IF:USB Type-C 簡介