一文解析USB PD技术

手机充电这么快，全靠快充。我们都知道快充，但你了解快充吗? 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。

PD快充协议是什么? PD充电协议是USB-IF组织公布的功率传输协议，它可以使目前默认最大功率5V/2A的type-c接口提高到100W，同时谷歌宣布Android7.0以上的手机搭载的快充协议必须支持PD协议，意在统一快充市场。

按字面意思理解，快充就是能快速充满电。那是什么决定快充能快充的呢?快充的原理就是通过增大充电功率来缩短充电所用时间，跟我们平常所用的家电一样，拿水壶举例，功率大的水壶，水开的时间短，相反，功率小的水壶，水开的时间就比较长了。这个例子是不是能够很好地的理解什么是快充了呢。

而增大功率主要与电压和电流有关，功率(P)=电压(U)*电流(I)，根据这个物理公式不难看出，电压电流越大，功率也就越大，想要增大功率就要从电流电压上入手。快充技术则是通过增大充电功率来缩短充电时长，以达到快充的目的。

想要实现快充，前提条件是充电设备和充电器必须同时具备相同的快充协议。主流市场上的快充技术有USB-PD快充、QC快充等，今天主要介绍USB-PD快充协议。

那什么又是PD协议?

PD协议指的是USB-PD协议，全称为USB Power Delivery，是USB-IF组织提出的一种快充协议，目前USB-PD的通用性较高和兼容性较广，像iPhone、MacBook等设备都可以使用这种快充协议来达到快充的目的。

近年来，移动设备的普及和功能的增强使得快速充电成为用户的迫切需求。传统的USB充电标准已经不能满足用户对充电速度的要求，因此USB PD技术应运而生。本节介绍了USB PD技术的背景和意义。

1、USB PD的工作原理

1.1 双向通信：USB PD通过在设备和电源之间进行双向通信来协商和确定充电参数。设备和电源之间可以进行数据交换，以确定适当的功率传输级别和充电模式。

1.2 电源角色和设备角色：在USB PD中，有两种主要角色：电源角色和设备角色。电源角色提供充电功率，设备角色接收和利用充电功率。

1.3 功率协商：在USB PD中，电源和设备之间进行功率协商，以确定最佳的功率传输水平。双方会协商电压和电流水平，以达到适当的充电速度。

1.4 电压和电流调整：USB PD支持可变的电压和电流输出，以满足不同设备的充电需求。通过协商和协议，USB PD可以根据设备的能力和要求调整充电电压和电流的级别。

1.5 功率管理：USB PD还包括功率管理功能，用于监控和管理功率传输过程。通过实时监测功率传输情况，USB PD可以进行功率调整和优化，以确保充电的安全和高效。

2、USB PD的充电协议

2.1 握手协议(Handshake Protocol)：设备和电源之间进行握手协议，以建立通信连接并确认彼此的能力和支持的协议版本。这一步骤确保设备和电源可以相互识别，并能够进行进一步的协商。

2.2 电源协商(Power Negotiation)：在握手协议的基础上，设备和电源之间进行功率协商，以确定适当的功率传输级别和充电模式。这包括协商电压和电流水平，以满足设备的充电需求。

2.3 电源规范(Power Profiles)：USB PD定义了一系列的电源规范，描述了不同功率传输能力和充电模式的特征。设备和电源之间可以通过协商来选择最合适的电源规范，以满足充电需求。

2.4 功率管理(Power Management)：USB PD还包括功率管理机制，用于监控和管理功率传输过程。通过实时监测功率传输情况，USB PD可以进行功率调整和优化，以确保充电的安全和高效。

3、USB PD在不同设备上的应用

3.1 移动设备(手机、平板电脑)：USB PD可以用于快速充电移动设备。通过支持更高的功率传输能力，USB PD可以大大缩短充电时间，使用户能够更快地获取电池电量。此外，USB PD还支持双向充电，使移动设备可以充当外部电源向其他设备提供电力。

3.2 笔记本电脑：USB PD在笔记本电脑上的应用越来越普遍。传统的笔记本电脑充电器通常较大而笨重，而采用USB PD技术后，可以通过一个更小巧的USB-C连接器进行快速充电。USB PD还支持高功率传输，能够为笔记本电脑提供足够的功率，甚至可以充电同时运行高性能任务。

3.3 电动汽车：USB PD在电动汽车充电领域也发挥着重要作用。通过使用USB PD充电器和连接器，电动汽车可以以更高的功率进行快速充电。USB PD还支持电动汽车和充电桩之间的双向通信，可以实现电能的双向流动，使电动汽车能够将多余的电能反馈到电网中，从而实现能量回馈和管理。

3.4 显示器和外部显示设备：USB PD可以为高分辨率显示器和外部显示设备提供电源供应。通过使用支持USB PD的连接器，可以实现同时传输数据和提供电力的功能，减少线缆的数量和混乱。

3.5 音频设备：USB PD还可以用于为音频设备提供充电和电源供应。例如，支持USB PD的耳机可以通过连接到USB-C接口的设备进行快速充电，并在充电同时提供高质量的音频体验。

4、USB PD的设备兼容性

4.1 接口兼容性：USB PD设备使用USB Type-C连接器进行充电和数据传输。因此，设备需要支持USB Type-C接口标准，包括连接器形状、引脚布局和功能支持等方面的兼容性。

4.2 协议兼容性：USB PD设备需要遵循USB PD协议规范，以确保设备之间可以进行正确的通信和协商。设备需要支持握手协议、功率协商和电源规范等协议要求，以实现适当的充电参数和功率传输能力的协商和调整。

4.3 功率兼容性：USB PD设备需要根据其能力和需求，支持相应的功率传输水平。设备需要在兼容的电源和充电器下，能够接受和利用适当的功率输出。

4.4 电压和电流兼容性：USB PD设备需要能够适应不同的电压和电流水平，以满足充电和功率传输的要求。设备需要根据协商和协议，调整自身的电压和电流接受能力。

5、USB PD的前景和发展趋势

5.1 快速充电需求增加：随着移动设备和电动汽车等智能设备的普及，用户对快速充电的需求不断增加。USB PD提供了高功率传输和快速充电的能力，能够满足用户对快速充电的期望，提高使用效率和便利性。

5.2 多功能性和智能化：USB PD不仅可以用于充电，还可以实现数据传输、视频输出和音频输出等功能。未来，USB PD有望进一步发展成为一个更加多功能和智能化的接口标准，为设备提供更丰富的连接和功能扩展能力。

5.3 跨平台兼容性：USB PD作为一种通用的充电标准，不仅在移动设备领域得到广泛应用，还逐渐渗透到笔记本电脑、显示器、音频设备等领域。未来，USB PD有望在更多的设备和行业中实现跨平台的兼容性，为用户提供更统一和方便的充电解决方案。

5.4 功率和充电能力提升：随着技术的发展，USB PD的功率和充电能力有望进一步提升。未来，USB PD有望支持更高的功率传输水平，以满足更多设备的高功率充电需求，同时进一步缩短充电时间。

5.5 绿色环保意识的增强：USB PD的高效能源管理和功率传输能力有助于减少能源浪费和碳排放。在环保意识不断增强的背景下，USB PD有望成为推动绿色充电和能源节约的重要技术。

◆ 技术简介及应用

在应用中，USB PD快充技术表现出了其广泛的兼容性和实用性。由于其通过USB接口实现高速充电，不仅限于特定设备，还可以应用于多种场景，大大方便了用户的日常生活。

◆ 电压规格及安全性

然而，不同的设备对供电电源要求各异，例如笔记本接口通常为20V，而手机端则为5V。为了解决这一问题，USB PD提供了四种电压规格选择，包括5V、9V、15V和20V，从而确保了充电的兼容性和安全性。在5V、9V和15V的电压等级下，最大电流限制为3A;而在20V电压等级下，普通电缆的最大输出为20V/3A，即60W。若采用特制电子标签电缆，最大输出可提升至20V/5A，达到100W。

◆ 实现机制与适配器

在实现机制方面，USB PD快充技术连接时，关键的供电设备是PD适配器。这种适配器能够输出四种电压规格，通过智能协商机制调整输出电压，与传统变压器不同，PD适配器通过PD供电协议进行“协商”供电。当USB设备接入时，它会通过PD供电规范向主机发出电压和电流需求，主机确认并提供相应的供电电源。

在USB PD供电关系中，有两个关键角色：USB PD Source和USB PD SINK。前者负责提供电源，而后者负责接收供电。当电缆连接建立后，PD协议的SOP通讯便在CC线上启动，旨在选定电源传输的具体规格。设备端会向充电端发出询问，以了解其能够提供的电源配置参数，包括不同的总线电压和电流数据。这种智能化的通讯方法确保了总线上的电源变化始终在源端和吸端的可控范围内，从而避免了潜在的风险。

PD适配器的规格和工作原理揭示了其强大的设备识别和需求适配能力。它能够通过Type-C线缆与设备端进行智能通信，识别不同的设备需求并作出相应的调整。因此，PD适配器不仅能够为笔记本电脑提供充电支持，同样也能为手机等设备充电。

至此，我们对USB PD快充技术有了更深入的了解，包括其技术基础、电压规格、安全性以及实现机制。这种技术的广泛应用，不仅提升了充电效率，也增强了设备间的兼容性和安全性。