笔记本与手机的Type-C接口快充协议之一 —— USB Power Delivery（PD）协议

引言

USB Type-C接口的普及，离不开其革命性的电力传输能力——USB Power Delivery（PD）协议。然而，PD协议背后的核心逻辑远不止“提升功率”这么简单。其核心在于动态协商机制，以及设备间复杂的角色分配与转换规则。本文将从电源角色（Source/Sink/DRP）和USB通信角色（Host/Device）两个维度，揭示PD协议如何实现灵活供电与数据传输的统一。

一、PD协议中的电源角色：谁供电？谁受电？

在PD协议中，设备通过Type-C接口的CC（Configuration Channel）引脚进行通信，首要任务是确定彼此的电源角色，即“谁供电，谁受电”。这一过程涉及三类角色：

1. Source（供电端）

- 主动提供电力的设备（如充电器、笔记本电脑的Type-C接口）。

- 初始状态为“供电就绪”，通过CC引脚广播自身支持的电压/电流组合（如5V/3A、20V/5A）。

- 关键行为：

- 检测Sink设备的连接（通过CC引脚电压变化）。

- 根据Sink请求调整输出电压（通过PD协议报文协商）。

2. Sink（受电端）

- 接收电力的设备（如手机、平板）。

- 初始状态为“等待供电”，通过CC引脚发送电力需求（如“请求9V/3A”）。

- 关键行为：

- 解析Source的供电能力，选择最优充电方案。

- 实时监控电池状态，动态调整请求（如电量达80%后降低功率）。

3. DRP（Dual-Role Power，双角色电源）

- 可在Source和Sink间动态切换的设备（如支持反向充电的手机、带Type-C接口的移动电源）。

- 工作模式：

- Toggle模式：周期性地在Source和Sink角色间切换（默认每秒一次），主动探测连接状态。

- Try.SRC模式：优先尝试作为Source，失败后切换为Sink。

- Try.SNK模式：优先尝试作为Sink，失败后切换为Source。

- 典型场景：

- 手机连接笔记本电脑时，手机作为Sink受电；若手机开启“反向充电”，则切换为Source为耳机供电。

二、USB通信角色：Host与Device的博弈

传统USB协议中，设备分为Host（主机）和Device（外设）两类角色：

Host：控制数据传输（如电脑、手机作为USB主机连接U盘）。

Device：被动响应指令（如U盘、键盘）。

然而，Type-C接口打破了这一固定分工，引入了双角色数据（Dual-Role Data, DRD）功能，允许设备动态切换Host/Device角色。这一特性与PD协议的电源角色独立运作，但两者需协同工作。

角色切换机制

1. 初始角色分配

- 传统USB通过ID引脚（如Micro-USB的OTG功能）确定角色，Type-C则通过CC引脚逻辑实现：

- 若设备检测到CC引脚被下拉电阻（Rd），则自身作为Host；

- 若检测到上拉电阻（Rp），则作为Device。

2. PD协议介入

- 通过PD协议中的Data Role Swap（DRS）指令，设备可主动请求切换Host/Device角色。

- 示例：

- 手机连接Type-C显示器时，默认手机为Host（输出视频信号）；

- 若显示器支持“桌面模式”，可发送DRS指令，使手机切换为Device，显示器作为Host接管控制权。

三、电源角色与USB角色的协同与冲突

场景1：笔记本电脑连接手机

-电源角色：笔记本为Source，手机为Sink。

- USB角色：

- 默认情况下，笔记本作为Host，手机作为Device（类似U盘连接）。

- 若手机启用“USB网络共享”，可发送DRS指令切换为Host，笔记本变为Device（此时手机共享网络给电脑）。

场景2：Type-C扩展坞的多角色管理

-电源角色：扩展坞作为Sink（从笔记本取电），同时作为Source（为外接设备供电）。

-USB角色：

- 扩展坞作为Hub，连接键鼠（Device）和显示器（Host/Device混合角色）。

- 需通过PD协议协调电力分配（如优先保障显示器供电）。

冲突与解决

-电源与数据角色不匹配：例如手机作为Source供电，但作为Device传输数据。

-PD协议允许两者独立运作，通过VDM（Vendor Defined Message）传递厂商自定义指令协调行为。

-电力抢占：当两个DRP设备（如两台手机）通过Type-C直连时，可能陷入“角色震荡”。

-协议规定通过Toggle周期随机化和优先级策略（如电量高的设备优先作为Source）解决。

四、协议升级：USB4与Thunderbolt的角色融合

在USB4和Thunderbolt 3/4中，电源角色与数据角色的动态切换更为复杂：

- 隧道化传输：将PD协议报文、USB数据、视频信号封装为统一数据流。

- 动态带宽分配：充电功率与数据传输带宽实时协调（例如高负载传输时降低充电功率）。

- 安全隔离：通过USB PD Authentication验证设备身份，防止恶意角色切换攻击。

五、总结：PD协议的核心哲学

USB PD协议的本质是去中心化协商：

1. 角色平等：任何设备均可通过CC引脚发起对话，打破传统“主从式”架构。

2. 资源动态分配：电力与数据带宽根据需求实时调整。

3. 兼容性与扩展性：通过VDM支持厂商私有协议（如华为SCP、小米Mi Turbo Charge）。

这种设计使得Type-C接口成为真正的“万能端口”，但其复杂性也带来挑战——用户需理解“原装配件”的重要性，而开发者需在协议栈中妥善处理角色冲突与安全边界。未来，随着PD 3.1（支持48V/240W）的普及，这一生态将进一步重塑电子设备的供能与交互方式。