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手把手教你0基础设计PD电源

PD快充的发展

PD全称Power Delivery，中文意思为电源传输管理。

• 2014年8月，USB-IF发布了极具革命性意义的TYPE-C 1.0接口标准和USB PD2.0标准，创新性地实现了在专用的通信线CC上，进行USB PD通信信号传输。
• 2017年2月，USB-IF发布了USB PD3.0的重要更新，旨在一统快速充电技术规范的PPS(Programmable Power Supply)，实现对高通QC4.0/3.0、联发科PE3.0/2.0、华为/OPPO等方案的收编。
• 2017年10月，iPhone8、iPhoneX发布，宣布支持PD快充协议，PD普及步入快车道
  USB-IF推广PD的目的是统一快速充电协议，从市场的变化来看，也正在朝这个方向发展，高通QC4.0协议和MTK3.0协议都采用了PD3.0的PHY层设计。不过可以预见，从多协议并存到统一至少还需要2-3年时间，在此期间，多协议仍然是配件市场的发展主流，而在众多协议之中，PD协议将会是客户的硬性指标。

选择合适的架构

要设计一款好的PD移动电源，选择合适的架构非常重要。目前市面上主要有硬件SOC、软件SOC、MCU+DC-DC三种架构：

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就移动电源架构而言，并没有“绝对的最优与最差”，更多在于“谁最能解决客户的痛点”以及“谁最能适应技术发展的需求”。

• 软件SOC架构
  软件SoC架构是把MCU和DC-DC集成在同一颗SoC芯片上，既满足灵活性的需求，也有集成度高、外围器件少的特点。但MCU和DC-DC两种技术的发展路线完全不同，工艺差异也很大，要在同一颗芯片上集成MCU和DC-DC，做到高可靠性难度非常大。目前，还没有特别成熟稳定的软件SOC PD芯片。因此，建议谨慎选用软件SOC的架构的PD移动电源方案。
• 硬件SOC架构
  硬件SOC架构把PD协议固化成硬件，具有成本低、开发速度快的特点。很多人认为在不追求功能多样化的情况下，硬件SOC是最好的选择，这往往是他们忽略了PD协议的发展过程以及PD协议的完整性。PD协议的完整性，在于提供了电能和数据、音视频传输的完整协议框架，同时又留有VDM，即自定义数据包功能，让企业可以进行私有协议处理，以及电池管理、固件升级、私有加密等，所以各家产品依然有协议的“私有”成份存在，未完全统一。因此，即便你的产品过了认证，也未必能兼容市面上的所有设备。也许有人会说，我的产品已经获得了USB-IF的认可，不兼容那是设备的问题，不是我产品的问题。然而，终端用户并不会考虑你的产品认证不认证，只会看你的产品能不能给自己的终端进行充电。所以从PD协议的发展过程以及完整性考虑，目前并不推荐选用硬件SOC设计PD移动电源产品。

• MCU+DC-DC架构
  目前看来，PD产品的成熟周期至少需要2-3年时间，在此之前，PD协议的灵活性对于产品的兼容性尤为重要，而能够同时兼顾可靠性与兼容性的架构正是MCU+DC-DC架构。目前市面上的一线主流PD半导体厂商，如赛普拉斯、TI、芯海科技等，皆是采用MCU+DC-DC的架构。

  
  典型的MCU+DC-DC架构的移动电源设计.png
  

  典型的MCU+DC-DC架构的移动电源设计
  相对于其它的架构，MCU+DC-DC架构主要特点是：

• MCU性能强大、协议全、升级空间大
  MCU+DC-DC架构都会选用性能强大的MCU作为主体，以芯海科技的Smart PD MCU CSS32G020为例，选用ARM® Cortex™-M0内核，支持PD3.0 PPS等各种常用的快充协议。芯片集成多种协议PHY层，通讯内容可通过软件进行升级，可以适应市面上的多种手机的快速充电需求。
• 资源丰富，灵活度高
  对于目前的PD移动电源一般都是A口与C口同时存在，协议分配一般是PD协议放C口，其他快充协议放A。但是对于两个口同时接设备的场景，不同的客户对这部分的功能定义不一样。
  从功能定义角度出发，对于PD移动电源核心功能是PD快充，无论什么情况下C口的输出功率都不应该受A口的影响，否则很多设备（如笔记本）因为C口降功率而无法充电。对于这部分的客户需求为：任意一个口接设备都有快充，A口和C口都接设备时，C口保持快充，A口只输出5V。
  从成本定义角度出发，两个口同时接设备保持PD输出成本太高，这部分客户需求为：任意一个口接设备都有快充，A口和C口都接设备时只能共同输出5V。
  进入快充时代，移动电源的定义再也不会像传统移动电源那样功能单一，不同的客户对于多口控制的逻辑需求会不一样，另外还有显示方式，报警方式，控制方式都会有不同的需求。
  而对于功能定制化，恰恰是MCU的传统强项，可以支援到客户的多样化需求。
• 免拆机固件升级功能
  传统的移动电源产品，如果因为兼容性、协议升级、客户修改变更等问题，需要升级固件，只能回收-拆壳-重新烧写固件，成本非常高。PD3.0 V1.1定义了固件升级功能的规范，就是为了解决这个问题，是PD3.0对PD2.0的一个重大升级。由于PD协议具有发展速度快和允许私有化的特性，固件升级的需求会更多。
  芯海科技的CSS32G020很好的解决这个问题：通过TYPE-C接口升级固件。如果遇到需要升级固件的情况，无需拆机，把产品通过数据线连接到PC就可实现升级，这是硬件SOC架构所无法比拟的。
• 快速开发
  开发成本高，一直是MCU+DC-DC方案的痛点。特别是PD协议动辄上百页的英文资料，对软件工程师是一个很大的挑战。为了解决客户的这个痛点，芯海科技专门推出了Smart PD图形化开发工具。用户无需了解PD规格的细节，也不用学习软件开发，只做简单的勾选配置，就可以完成PD移动电源的软件开发。可以设置的内容包括PDO、RDO、VDM、企业专用VID、PID、TID等信息，以及移动电源的各项参数，譬如：过流值、过压值、温度保护参数、电池内阻参数、显示方式等。

结语

从PD协议的发展过程以及完整性考虑，最适合PD移动电源设计的架构是MCU+DC-DC架构。在PD协议完全统一快充之前，支持固件升级、配合图形化开发工具，是开发PD移动电源的最佳选择。