power delivery что это такое
Когда используется Power Delivery, и что происходит при установлении соединения между блоком питания и устройством
В прошлый раз я рассказывал про минимальный набор компонентов, который может быть включён в устройство для поддержки базовых функций USB-C. Но бывают ситуации, когда этих базовых возможностей недостаточно – например, нужно использовать несколько профилей напряжения, чтобы блок питания от одного устройства подходил к другому. Или же есть необходимость подстроить сами профили. Или просто нужна бОльшая мощность питания (в случае с USB-C доступный максимум – 15 Вт). Во всех этих ситуациях на помощь придёт стандарт Power Delivery. Он, например, используется в линейке зарядных устройств Apple – профили с бОльшим напряжением доставляют бОльшую мощность к устройству и позволяют его быстро заряжать. В нашем смарт-экране SberPortal есть узлы, которые требуют значительной мощности питания – прежде всего это высокопроизводительная система на кристалле (SoС) и акустика. Один только звук требует около 30 Вт. Поэтому при разработке устройства пришлось усложнить систему питания и реализовать Power Delivery. Об этом стандарте и пойдёт ниже речь.
Также разберёмся в его особенностях и посмотрим, как со временем изменился способ передачи данных в стандарте. А ещё я расскажу и покажу с помощью анализатора протокола, что происходит при установлении подключения в устройствах, на примере ноутбука с Power Delivery. Затем посмотрим, как мы реализовали PD в нашем смарт-экране SberPortal.
Особенности Power Delivery
Power Delivery расширяет возможности USB-C, позволяет использовать повышенное, по сравнению с привычным USB, напряжение на контактах VBUS – 20 В (и, как мы увидим, даже выше). При использования стандартного кабеля USB-C возможна доставка потребителю до 60 Вт, а при использовании ECMA кабеля – до 100 Вт.
Эти функции достигаются за счёт информационного обмена по линии СС. Кроме поддержки СС-логики, которая определяет роль устройства при установлении соединения, по этой линии происходит обмен сообщениями типа “запрос-ответ” между источником и потребителем.
Важная особенность стандарта – наличие PDO (Power Delivery Objects). PDO представляет собой профиль питания с заданным напряжением и током. Таких профилей в PD-источнике должно быть больше, либо равно 2. Другими словами, в одном адаптере находится несколько источников питания, выбор нужного при этом делается потребителем. Обязательный профиль – 5V/3А. Благодаря этому допустимо подключение устройства-источника, в котором реализован полноценный PD, к потребителю, где выполнена только базовая функциональность USB-C (СС-логика). В таком случае источник установит на своем выходе 5V.
Физический уровень
В первых ревизиях стандарта USB Power Delivery линия питания VBUS использовалась не только по прямому назначению, но и в качестве канала для обмена сообщениями между потребителем и источником энергии.
Пример двоичной частотной манипуляции (BFSK)
Такой вид передачи довольно помехоустойчив, так как помеха искажает в основном амплитуду сигнала, а не частоту. В последней редакции стандарта USB PD 3.0 BFSK больше не используется, и описание этого механизма передачи исключено из спецификации.
В последней на текущий момент ревизии 3.0 USB Power Delivery поддерживается только Biphase Mark Code (BMC). Передача данных происходит по одному из СС-контактов. Информационный обмен идёт в режиме полудуплекс с предотвращением коллизий и с 4b5b-кодированием для баланса постоянного тока.
BMC представляет собой версию манчестерского кодирования. Логический 0 соответствует отсутствию переключения в середине битового интервала, логическая 1 – наличию переключения. На границе интервалов переключение происходит всегда. Частота сигнала составляет 300 kHz ± 10 %.
Пример Biphase Mark Coding (BMC)
Уровень протокола
Уровень протокола формирует сообщения, используемые для передачи информации. Он отвечает за создание запросов, подтверждений, сообщений о возможностях.
Сообщения в зависимости от содержимого можно выделить следующие:
100 ватт по USB или как работает Power Delivery
Почитав вот этот пост и сопутствующую ему дискуссию, я решил попробовать внести ясность в то, что такое USB Power Delivery и как это работает на самом деле. К сожалению у меня сложилось впечатление, что большинство участников дискуссии воспринимают 100 ватт по USB слишком буквально, и не до конца понимают что за этим стоит на уровне схематики и протоколов.
Итак, кратко – основные пункты:
О кобелях Про кабели
USB Power Delivery работает с шестью типами коннекторов:
Про порты
После сертификации USB PD порты маркируются следующим образом:
Данное лого информирует о версии USB (2.0 или 3.0 SuperSpeed), а также о профилях электропитания которые поддерживает данный порт. Значение ”I” означает потребляемый профиль, необходимый для полноценного функционирования устройства, а значение «О» то какой профиль порт может предоставить. Примеры маркировки портов:
Физический канал
USB PD определяет принципиальную схему физической организации соединения посредством кабеля следующим образом:
Как видно из схемы, USB PD также требует чтобы и в источнике и в приемнике были реализованы схемы определения падения/скачка напряжения, а так же методы определения разряженной батареи для случаев когда одна из сторон не может запитаться от своего внутреннего источника.
В качестве алгоритмов для определения разряженной батареи предлагаются следующее. Если одна из сторон выставляет сопротивление в 1кОм между экраном и землей, это свидетельствует о том что ее батарея разряжена. В такой ситуации другая сторона берет на себя роль источника и начинает отдавать минимальные 5В, чтобы дать через VBus питание противной стороне и начать обмен сообщениями по протоколу USB PD.
Как уже упоминалось ранее, для обмена сообщениями USB PD протокол использует линию VBus. Ниже приведена блок-схема, определяющая ключевые функциональные элементы передатчика:
И соответственно такая же блок-схема для приемника:
Сериализированная кодировка 4b5b и декодировка 5b4b подразумевает что все данные по шине, кроме преамбулы пакета, передаются пятибитными последовательностями в соответствии c таблицей кодировки, определяемой стандартом. Каждая такая последовательность кодирует либо одну из 16 цифр (0x00..0x0F), либо сигналы начала / синхронизации / сброса и конца пакета. Таким образом передача одного байта занимает 10 бит, 16-битного слова – 20 бит и 32-битного двойного слова – 40 бит и т.д.
Логический канал
USB PD протокол основывается на последовательных парах типа запрос-ответ. Запросы и ответы пересылаются с использованием пакетов. Пакеты состоят из преамбулы (фаза подготовки к передаче), начала пакета SOP (три сигнала Sync-1 и завершающий Sync-2 в кодировке 4b5b), заголовок, 0..N байт полезной нагрузки, контрольной суммы (CRC-32) и сигнала конца пакета (одиночный сигнал EOP):
Как было упомянуто выше, преамбула не кодируется в 4b5b. SOP, CRC и EOP кодируются 4b5b на физическом уровне, заголовок и полезная нагрузка кодируются на уровне логического протокола.
Сброс шины производится путем посылки трех сигналов RST1 и завершающего сигнала RST2, в соответствии с кодировкой 4b5b.
Протокол
Все USB PD сообщения состоят из заголовка и порции данных произвольной длины. Сообщения либо генерируются на уровне логического протокола и затем пересылаются на физический уровень, либо принимаются на физическом уровне и затем пересылаются на уровень логического протокола.
Заголовок сообщения имеет фиксированную длину 16 бит и состоит из следующих полей: 
Сообщения бывают двух видов – управляющие (control) и информационные (data).
Управляющие сообщения
Контрольные сообщения состоят только из заголовка и CRC. Количество объектов данных для таких сообщений всегда устанавливается в 0. Типы управляющих сообщений USB PD представлены в таблице ниже: 
Отдельно следует упомянуть что поля вида tSourceActivity, tSinkRequest и т.д. — это константы, значения которых глобально заданы самой спецификацией в отдельной главе. Сделано это потому что они определялись опытным путем в результате прототипирования, и найденные оптимальные значения просто подставили в отдельную главу, чтобы не рыскать по всей спецификации.
Информационные сообщения
Данный вид сообщений предназначен для получения детальной информации об источнике или приемнике, а также для передачи запрашиваемых характеристик электропитания – сила тока, напряжение и т.д. Информационные сообщения всегда содержат ненулевое значение в поле ”Number of Data Objects”.
Спецификация определяет четыре вида информационных сообщений:
Сообщение о характеристиках
Порт источника всегда обязан сообщать свои характеристики приемнику путем передачи серии 32-битных объектов PDO. Информация переданная посредством этих объектов используется для определения возможностей источника, в том числе включая возможность работать в режиме приемника.
Сообщения о характеристиках представляются в виде одного или нескольких объектов следующих за заголовком: 
PDO соответствующий элементу с постоянным типом электропитания 5V всегда должен идти первым в цепочке объектов.
Структура объекта PDO: 
Для каждого типа электропитания предлагаются различные характеристики.
Постоянный тип электропитания, напряжение постоянное. Источник должен иметь хотя бы один такой элемент: 
Программируемый тип электропитания, напряжение может регулироваться путем запросов в пределах между минимальным и максимальным: 
Вариативный тип электропитания, напряжение может изменяться в заданных пределах абсолютного минимума и абсолютного максимума, но не может регулироваться: 
Батарея, данный тип используется для обозначения батарей которые могут быть напрямую подключены к линии VBus: 
Сообщение о запросе
Сообщения о запросах передаются приемником к источнику для передачи своих требований в фазе установления соглашения по электропитанию. Данное сообщение посылается в ответ на сообщение о характеристиках и должно содержать один и только один объект запроса данных – RDO, который описывает информацию о требуемых характеристиках электропитания для приемника.
Данный запрос имеет два типа, в зависимости от адресуемого типа элемента электропитания, переданного в сообщении о характеристиках источника. Для запросов к элементу электропитания постоянного или вариативного типа, либо батареи поля ”Operating Current / Power” и ”Total Current / Prog Voltage” интерпретируются одним путем, а для запросов к элементу программируемого типа – другим путем, так как в этом случае запрашивается и напряжение, и сила тока.
Структура объекта RDO: 
На мой взгляд данной информации достаточно, чтобы получить хорошее представление о принципах работы USB Power Delivery. Я сознательно не стал углубляться в дебри, связанные с таймерами, счетчиками и обработкой ошибок.
Взаимодействие с традиционным USB
Как уже было упомянуто выше, Power Delivery – это самостоятельная подсистема, которая функционирует параллельно и независимо от канонического USB. Тем не менее, в случаях когда устройства реализуют оба протокола – и USB и Power Delivery, спецификация рекомендует реализацию т.н. System Policy Manager или SPM, компонента который может контролировать оборудование USB PD посредством традиционных запросов USB.
Для систем с поддержкой SPM, спецификация рекомендует предоставить PD информацию посредством специальных типов USB дескрипторов. Не считаю нужным в них детально углубляться, просто перечислю их названия:
Заключение
Надеюсь что данным постом я подогрел интерес публики к USB Power Delivery. Скромно замечу, что автор имеет непосредственное отношение к данной спецификации, поэтому готов ответить на любые вопросы по Power Delivery в частности и USB в общем.
Ликбез по Power Delivery: что стыдно не знать о стандарте быстрой зарядки
Когда энергия в аккумуляторе мобильного устройства стремительно заканчивается, быстрая зарядка становится настоящим подарком. Впрочем, разнообразие как проприетарных, так и лицензированных стандартов затрудняет определение того, какую именно скорость выйдет получить при использовании конкретных блока питания и кабеля. Конечно, можно ориентироваться только на комплектные аксессуары от производителя гаджета, но обойтись одной зарядкой сегодня — не самая простая задача. Выходом становится Power Delivery — актуальная официальная спецификация быстрой зарядки USB Promoters Group.
Power Delivery (PD) — универсальная спецификация, разработанная как общий стандарт быстрой зарядки, который можно использовать с любыми гаджетами с поддержкой USB-интерфейса. PD существует с 2012 года — примерно с того же момента, когда представили порт USB-C. Новый стандарт зарядки стал заменой для спецификации USB Battery Charging (USB BC), которая дополняла базовые параметры питания USB-порта. На данный момент пользователям и производителям доступна уже третья редакция Power Delivery, которая заточена для эффективной быстрой зарядки.
Что нужно знать про зарядку гаджетов через порты USB
Современные порты USB-С поддерживают несколько стандартных спецификаций зарядки. Более того, производители могут комплектовать их дополнительными проприетарными возможностями.
Для начала важно отметить, что абсолютно все USB-порты поддерживают базовый уровень зарядки от 5 В и 500 мА до 5 В и 900 мА. Да, скорость наполнения энергией в данном случае будет крайне медленной, но это нужно для работы с устаревшими девайсами, а также маломощными гаджетами. Порты USB-С базово можно «разогнать» до 5 В и 1,5 А и даже 15 В и 3 А. Это намного быстрее, но всё ещё достаточно медленно, если говорить про стандарты быстрой зарядки в целом.
Стандарт Power Delivery отличается куда большей скоростью — он может работать даже с мощностью 100 Вт, чего уже будет более чем достаточно и для самых требовательных гаджетов вроде ноутбуков. Важным нюансом работы с PD является безопасность — когда гаджеты используют данный стандарт, они согласовывают необходимую мощность через USB-кабель. Спецификация поддерживает варианты зарядки с напряжением 5 В, 9 В, 15 В и 20 В, чтобы обеспечить мощность от 0,5 до 100 Вт. Новый стандарт программируемого источника питания USB Power Supply (USB PD PPS) также поддерживает определение напряжения, что нужно для более оптимальной зарядки. Если блок питания и гаджет не могут согласовать необходимую скорость зарядки, используется базовая.
💡 Мощность равна произведению напряжения и силы тока.
Сегодня Power Delivery используется для быстрой зарядки смартфонов, ноутбуков и других гаджетов. Google взял стандарт на вооружение для линейки Pixel, Samsung использует его для серии Galaxy S, а Apple — в iPhone и MacBook. Внушительное число других производителей добавляют работу с PD к своим проприетарным технологиям быстрой зарядки.
На данный момент есть три поколения стандарта Power Delivery
На данный момент стандарт Power Delivery находится уже в третьей редакции, которая характеризуется индивидуальным набором особенностей и возможностей. Впрочем, PD отличается обратной совместимостью, поэтому особенно переживать по поводу выбора не стоит.
Первая редакция Power Delivery была заметно более простой, чем современные. Она предлагала шесть фиксированных профилей питания для разных категорий гаджетов: 10 Вт (5 В, 2 А), 18 Вт (12 В, 1,5 А), 36 Вт (12 В, 3 А), 60 Вт (12 В, 5 А), 60 Вт (20 В, 3 А) и 100 Вт (20 В, 5 А). Такое разнообразие по мощности уже можно считать достаточным, но сегодня для огромного зоопарка из девайсов разных форматов требуется ещё большая гибкость.
Во второй и третьей редакциях Power Delivery от набора фиксированных профилей было решено отказаться. Конкретные значения по напряжению в них остаются, но сила тока может меняться в согласованном диапазоне. В итоге получается ещё более универсальный подход к зарядке абсолютно любых гаджетов. От второй третья редакция PD отличается контролем состояния аккумулятора, повышенной безопасностью и возможностью изменения напряжения по мере зарядки.
Подавляющее большинство современных устройств использует вторую и третью редакцию Power Delivery. Для смартфонов типичная мощность зарядки — 18 Вт, для ноутбуков — около 60 Вт. Впрочем, некоторые мобильные устройства всё же настроены на работу с большей скоростью — к примеру, VOOC Flash Charge уже поддерживает мощность свыше 100 Вт.
Как работает программируемый источник питания USB PD PPS
Вторая и третья редакции Power Delivery весьма технологичны, но всё ещё не в полной мере соответствуют требованиям гибкости для действительно быстрой зарядки. Её скорость крайне чувствительна к определённому напряжению, которое должно меняться по мере наполнения аккумулятора энергией. Варианты напряжения 5 В, 9 В, 15 В и 20 В из стандартной спецификации PD далеки от идеала для оптимальной быстрой зарядки.
Одной из особенностей третьей редакции Power Delivery, которую представили в 2018 году, стал программируемый источник питания USB PD PPS. Он отличается заметно большей гибкостью и предлагает шаг напряжения на уровне 20 мВ (0,02 В). Более того, в данном случае необходимое напряжение может быть не только согласовано, но и изменено прямо во время зарядки. Для быстрого наполнения устройства энергией это очень важно.
В первой половине 2021 года USB PD PPS — всё ещё диковинка. Его поддержка реализована всего в нескольких гаджетах и аксессуарах, и это создаёт трудности для потребителей. К примеру, для быстрой зарядки Samsung Galaxy S21 нужен блок питания именно с поддержкой USB PD PPS — только с ним смартфон сможет принимать 25 Вт. При использовании же традиционного стандарта Power Delivery гаджет сможет получить только 18 Вт.
Как быстро гаджеты заряжаются с помощью Power Delivery
Стандарт Power Delivery характеризуется внушительным спектром вариантов итоговой мощности. Более того, его поддерживает масса устройств, которые отличаются, в том числе, и по ёмкости аккумулятора. Поэтому дать чёткий ответ на вопрос подзаголовка достаточно сложно. Впрочем, обычно смартфоны используют мощность 18 Вт и полностью заряжаются примерно за час с лишним. Ноутбуки же с блоками питания на 60 Вт могут получить необходимый объём энергии приблизительно за час или два.
В отличие от ноутбуков, смартфоны, как правило, предпочитают более низкое напряжение (5 или 9 В) и высокую силу тока. К примеру, технология OnePlus даёт возможность разогнаться до 65 Вт при 10 В и 6,5 А, а 40 Вт от Huawei базируются на 10 В и 4 А. Это — проприетарные варианты. Тем не менее они показательны.
Ближайший вариант напряжения в PD — 9 В. При его использовании в рамках стандарта скорость зарядки теоретически может составлять 27 Вт. Но для работы со смартфонами Power Delivery обычно использует более низкую силу тока, которая не дотягивает до 3 А. Поэтому на выходе получается 18–20 Вт — это заметно меньше, чем у протоколов быстрой зарядки, разработанных отдельными производителями гаджетов.
Впрочем, у PD всё же есть перспективы в мире универсальных стандартов быстрой зарядки. При использовании PPS Samsung Galaxy S21 может заряжаться на скорости 25 Вт при напряжении 9,5 В. А в Galaxy Note 10 Plus компании удалось добиться быстрой зарядки с мощностью 45 Вт. Тем не менее нужно понимать, что реализацию настолько большой мощности в Samsung сочли слишком сложной с точки зрения работы аккумуляторов, поэтому кроме перспектив у Power Delivery также хватает и вопросов.
Power Delivery вряд ли будет конкурировать с проприетарными стандартами быстрой зарядки. В своих смартфонах OPPO тизерит поддержку 100 Вт, а Xiaomi уже реализовала 120 Вт. Без существенной переработки у PD нет шансов даже вместе с PPS. Впрочем, если объективно, сегодня даже 40 Вт уже более чем достаточно для действительно быстрой зарядки того же смартфона.
Кроме удобства Power Delivery играет на пользу и экологии
Конечно, высокая скорость зарядки является важной особенностью Power Delivery в целом и PPS в частности. Тем не менее куда важнее универсальность. PD был создан как единый стандарт для питания по USB широкого спектра гаджетов. Он нивелирует необходимость в проприетарных портах и особенных блоках питания.
Прежде всего, это крайне положительно сказывается на простоте подключения и зарядки. Но есть и вторая сторона медали — отсутствие необходимости оснащать каждое новое мобильное устройство отдельным блоком питания. Обилие старых кабелей и других аксессуаров для зарядки, которые остаются на свалках и не так просты в переработке, становится всё большей проблемой. Она также усугубляется ограниченностью драгоценных металлов и других элементов, которые используются на производстве. Power Delivery — это серьёзный ответ на сложный экологический вопрос.
Конечно, производители, которые убирают блоки питания из коробок своих устройств сегодня, пока не особенно радуют пользователей. Последние могут не обладать подходящими аксессуарами, поэтому должны приобретать их отдельно. Но в долгосрочной перспективе ситуация придёт в норму. Каждый из нас не будет заморачиваться, чем именно заряжать свои гаджеты, — по крайней мере, если Power Delivery станет единым решением, которое возьмут на вооружение абсолютно все.
Статья написана на основе материала Android Authority.