当100W PD HUB插入充电器与电脑，电源分配的全过程，工程师看完直呼过瘾！

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前段时间我们开源了100W快充+USB3.0（3A+1C）高速传输 PD HUB，今天我们重点介绍下工作原理。

主控芯片是CH634X这颗芯片，采用青稞RISC-V处理器，单芯片集成4口USB3.2 Gen1(5Gbps) HUB和Type-C PD功能，原生支持Type-C正反插以及100W快充。 这就很给力了，一颗芯片搞定。

我们先从CH634X开始分析，先看工作模式， CH634X有3种C口工作模式，可通过PDHUB#、SMBDAT和EXCH# 引脚进行配置选择。

可以看到，模式0跟模式1都是通用的HUB模式，就是单纯的一个HUB功能，模式2可以配置为PD-HUB模式，上行口为单面 Type-C 接口，支持Type-C/PD 快充功能，下行口为1个Type-C 接口 + 3个A 型接口，我们的开源项目就是这种模式。

原理图

这里我们先看一个芯片，CH211C，这是一个内置了高压开关和升压模块的Type-C/PD高压接口芯片。芯片内置了4通道高压开关， 用于MCU的PD信号对接高压Type-C接口，并内置了升压电路，支持外部N型MOSFET功率管控制,CH634X通过I2C控制CH211C。

那为什么需要这个芯片，高压开关是什么，TYPE-C口的CC线直接接CH634X 不就行了吗？

CC信号线主要用来协商电压电流（PD协议通信）、侦测插拔，理论上 CC 线最大电压不会超过 5V，CC线电压是独立于 VBUS 电压的，但在某些异常/热插拔瞬间，有可能由于寄生耦合、ESD、电源反灌等，导致 CC 瞬时电压超过 5V，特别是 Type-C 接口短接插反、VBUS 瞬间上升、或者被错误连接时，可能出现异常电压。

还有就是，C口长期使用后，有一些会导致触点摊开，相邻触点的间距缩小，CC口又紧挨着VBUS口，进一步增加了短路的风险。

所以，USB PD HUB中高压端和低压端的CC线绝不能直接相连，必须使用高压信号开关进行隔离和控制，避免MCU的CC引脚直接承受意外的高压。

简言之，CH211C的第一个作用就是CC线的高压开关，里面有两对PD信号高压开关。

如下图，P6口为纯供电的Type-C口，P6的两个CC口与CH211C的高压CC引脚连接，二选一，CH211C的低压CC口与CH634X连接，这样，通过CH211C，外部高压CC口与主控CH634X的低压CC口就硬件上连接起来了。

PD 协议由 CH634X 实现，原生支持 USB PD2.0/3.0 协议，那当充电器插入供电口P6的时候，信号间到底传输了什么信息？我们先看下PD的连接过程。

1、连接检测（Connection Detection）

• Type-C插入检测：当USB-C线缆被插入时，源端(Source，如充电器)和宿端(Sink，如手机)通过检测CC引脚上的电压或下拉电阻来确认连接。
• - Source（DFP）的CC引脚通过一个上拉电阻（Rp）接到电源。
• - Sink（UFP）的CC引脚通过一个下拉电阻（Rd）接到地。
• 方向确认：线缆插入后，Source会检测到CC引脚上的电压被Sink的Rd拉低，从而判断“有设备接入”。同时，因为线缆内部只有一根CC线连通，Source也能通过检测哪一根CC线被Rd拉低来判断线缆的方向（正插还是反插）。
• 默认供电：在建立PD通信之前，Type-C规范中要求Source会先提供vSafe5V的5V电压并且其可用的供电电流有0.5A,1.5A,3A三种，由其上拉电流声明，具体可见下图。

2. 协议连接（Protocol Connection）

物理连接建立后，双方开始尝试建立数字通信协议

• BMC编码与通信：USB PD使用一种名为BMC (Biphase Mark Coding)的编码方案在CC线上传输数据。这种编码对硬件要求较低，适合单线通信。
• Source_Capabilities：充电器先广播它支持的电压/电流组合（PDO，如 5V 3A、9V 3A、20V 5A 等）。
• Sink_Request：PD HUB连接充电器之后先Request 5V电压，在没有接PC设备前，不能请求高电压。只有当PC设备请求高于5V的高电压时，PD HUB才会进行转发请求更高电压，比如 20V 5A，发送请求。
• 随后向Source发送一条Request消息，指明它选择了哪个PDO。
• 若承载电流在3A以上者，则电缆线内部必须配置E-Marker IC，透过VCONN对E-Marker IC供应电源，使E-Marker IC能提供缆线本身的各项资讯，在使用含有E-Marker IC的缆线时，输出电流最大可达5A，即100W （20V，5A） 如下图。

电源供应端（Source）输出电压由5V改为9V BMC波形

配置E-Marker IC

3、电源协商

• Accept：充电器回应“接受请求”。Source收到Sink的Request消息后，会进行评估，如果认为请求是安全和可接受的，它会回复一Accept消息。收到消息后，充电器切换到请求的电压档位。
• PS_RDY：充电器切换好电压后，发送“电源就绪”。
• HUB 通过 CH211C 完成 VBUS 的切换与隔离，保证高压安全导通。
• 在检测到充电器刚和PC都连接的时候，MOS就已经导通了，这时候给出的是vSafe5V。
• 协商到更高的电压后，再把高压引入PC。

此时，外部充电器一路给PC充电，另一路给主控以及下行 USB接口供电，稳定运行。

在快充时，随着电池电量上升，宿端可能会请求降低充电功率（例如从20V切换到9V），以保护电池寿命。

这里有两种插拔顺序。

一、HUB 先插充电器 → 再插电脑

1. 充电器插入HUB，充电器作为 Source，HUB 作为 Sink 会发生 PD通信，但只“选中5V PDO”，HUB 已经拿到并缓存了充电器的全部 PDO 能力表（电压/电流）。
2. 当再插上行口到 PC 时，HUB 作为 Source 跟 PC 协商，若需要更高功率，HUB 立即用已知 PDO 对充电器发起二次Request，充电器Accept/PS_RDY后 VBUS 才升到 9/15/20 V。

二、HUB 先插电脑 → 再插充电器

1. HUB插入电脑后还没插充电器的时候，VBUS = 5V（来自 PC），HUB 由这 5V 上电并完成枚举（USB 数据链路建立）。
2. HUB 与 PC 之间进行Type-C连接检测，尝试进行PD通信，这时PC 当 Source，HUB 作为 Sink 只需 5V 即可工作。充电侧未连接，HUB 内部电源管理处于PC 的 5V 作为主供电的状态。HUB 是可以缓存 PC 的 PDO 信息的，只是通常不会用。
3. 插入充电器后，充电器与 HUB 会进行Source_Capabilities → Request(5V) 的初次 PD 握手，因此 HUB 会收到并缓存充电器的 PDO 列表。
4. HUB 在检测到充电器且充电器能力高于 PC 时综合分析后优先使用充电器为系统供电并向 PC 提供电力。

此时如果拔掉充电器，会发生什么？

这里就涉及到USB PD 的供电角色切换功能了（DRP + 反向供电），我们梳理一下：

1、正常状态（充电器插着）

供电路径：PD充电器 → HUB (CH211C开启MOS导通高压) → 上行口C口 → PC 角色：

• 充电器：Source（供电方）
• HUB：Sink（取电），并把电一路 PR_SWAP（power role swap）给PC
• PC：Sink（被充电）
• 
  

2、拔掉充电器的瞬间

这里CH634X有一个优势，就是FR_SWAP，即快速角色交换，可以在支持的主机上面，拔掉充电器的时候而不掉电，也就是USB设备不掉。

流程简单来说就是在HUB检测到充电器移除时，会立刻在主机端的CC上发出FR SWAP Signal，支持此功能的主机会完成此流程。之后电源角色互换。在此过程中，HUB的电源需要由自身的储能电容供电。

3、PC 继续作为 Host（默认常见）

• PC 的上行口本身能提供 5V@900mA/1.5A (USB 3.0/3.1 BC1.2供电)。
• 当外部 PD 断开后，PC 就通过上行口 VBUS 给 HUB 本身和下游接口供电。
• HUB 的下游口还可以继续工作，但功率受限（只能是 PC 提供的 5V，不再有高压快充）。

这种情况下，PC 上行口开始向下供电了。

这里拔掉充电器后，会关闭充电器一测MOS，使此端口电压保持在vSafe0V,这时HUB和下行口设备的电源由PC提供，下行口供电能力这时取决的PC的供电能力。

总结一下：

在这个 PD HUB 里，CH634X 是 PD 协商的大脑，处理 CC 上的协议栈；CH211C 是高压守门员，保护CH634X远离高压，同时控制NMOS导通和关断。

这样整个 HUB 就能既保证数据传输稳定，又能根据需求从 PD 充电器拉取不同电压电流，在外部供电拔掉的时候，还能切换供电方向，从PC 上行口进行取电，非常完美！

篇幅有点长了，今天这节就只是讲PD这部分吧，过两天把HUB USB部分再讲解一下。

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