详解PD协议的FRS 机制

来源：时间：2024-10-22

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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