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详解PD协议的FRS 机制
在USB Power Delivery 3.0以上版本中,规定了一种快速功率角色切换的机制,即Fast Role Swap,简称FRS。FRS的主要功能是,当用户使用外接电源的USB拓展坞(USB Hub)时,若用户拔掉外接电源,则系统会快速切换供电Source,防止系统断电。下文会详细介绍FRS的应用场景,以及从原理层面详述其实现方式,并举例说明FRS的实际应用。
FRS的典型应用场景
下图是典型的FRS的应用场景。该场景包含三个主要设备,Type-C电源适配器,USB拓展坞(Hub)以及一台笔记本。通常,Hub至少有两个Type-C口,一个C口作为Sink,连接电源适配器;另一个Type-C口作为上行口,连接笔记本。功率方面,Hub作为Source,通过PD协议给笔记本提供电能;数据方面Hub与笔记本之间进行USB数据和DP信号的传输(若该Hub支持DP Alt Mode,即Hub可以拓展DP或HDMI显示)。
这种场景下,想象一下用户可能正在拷贝U盘,或通过Hub外接显示器给客户展示产品方案,用户无意中拔掉了Type-C电源,那么对于不支持FRS功能的产品,用户会发现,由于供电突然中断,U盘拷贝也因中断而失败了,显示器黑屏了,直到笔记本作为Source重新启动供电。这时,用户不得不重新进行U盘拷贝,并尴尬地向客户解释刚刚发生的状况。
FRS完美地解决了上述供电突然中断的问题。在Type-C电源拔掉的瞬间,Hub和笔记本之间会立刻触发FRS机制,使得功率流向在不断电的情况下发生切换。
基于FRS技术,用户可以任意的插拔Type-C电源,而不会发生数据中断,或显示器黑屏的问题。
FRS的实现机制
该功能需要Hub端和笔记本端同时支持FRS。下面会从信号与功率切换的层面,以及PD信息的沟通序列两个层面介绍,在FRS这个过程中,两个层面是如何协调工作的。下图是FRS完整的实现框图和电压变化时序。
信号和功率切换
A. 电源适配器拔出,连接到Hub的Type-C端口电压开始下降,并降至最低有效电压阈值(vSrcValid_min,即有效电压-0.5V)以下;
B. Hub向笔记本发送FRS信号(通过CC实现);
C. 笔记本检测到FRS信号后,在15ms内(tFRSwapInit)向Hub发送FR_Swap信息;
D. VBUS电压持续下降,Hub和笔记本会同时检测VBUS降至5V以下。Hub会向笔记本发送PS_RDY(如下步骤5);
E. 当笔记本检测到VBUS降至5V以下时,笔记本打开供电Switch,对VBUS进行供电。这个过程需要在150us(tSrcFRSWap)内完成;
F. Hub切换CC上拉Rp至下拉Rd;
G. 笔记本切换CC下拉Rd至上拉Rp
至此,双方便实现了不断电的快速功率角色切换。这个过程中,FRS信号的检测是由Policy Engine (PE)来完成的,而其他部分由Device Policy Manger (DPM ) 完成。
PD信息沟通序列
1. 笔记本在接收到FRS信号(步骤C)后,向Hub发送FR_Swap信息;
2. Hub评估完该指令后,回复Accept;
3. 当Hub检测到VBUS电压降至5V以下(步骤D)时,发送PS_RDY信息,准备切换新的Source;
4. 当笔记本打开供电Switch给VBUS供电(步骤E)时,发送PS_RDY信息。
至此在PD信息沟通序列层面就完成了FRS。需要说明的是,该序列描述省去了GoodCRC信息。如下是PD信息沟通序列的示意图。
FRS应用举例
下面通过一个应用实例说明FRS的实现过程。我们会更多介绍PD信息沟通序列是如何实现的。下图是实际应用中,设备之间的连接方式和内部设计简化图。
在硬件设计上,Hub内部需要增加一个大容量电容,以保证FRS过程中(步骤D-E),尽可能地维持电压稳定。
在进行FRS之前,Hub已经与笔记本完成了基本通信,并实现供电。为了后续保证能够进行FRS,这个过程还需要进行一些初始配置(FRS Initial Setup),例如判断Hub是否支持FRS,Hub的受电能力是多少等等。
完成初始配置以后,系统确定双方支持FRS。接下来当用户拔出电源适配器时,系统进入FRS过程。
至此,供电Source从Hub端切换至了笔记本端。需要说明的是,大多数Hub支持HDMI或DP的拓展显示功能,为了便于理解,这里没有展示出DP Altmode的相关协议。整个FRS过程不存在协议和供电断连的状态,因此在用户端,不会看到数据拷贝中断或显示器中断的问题。
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