了解这项改变生活的技术 USB 供电 (USB Power Delivery)：1 / 5
USB Power Delivery 规范 （USB PD） 比传统 USB 充电提供更强大的功率和更大的灵活性，并逐渐成为主流。在本文中，我们将介绍 USB PD 的一些基础知识，并展示它如何提高 USB 充电的便利性。
请注意，USB 供电中使用了特定术语和缩写。请参阅书末的术语和缩写。
USB 正在取代传统充电技术
今天，我们随处可见 USB 被用于为智能手机、数码相机和类似设备充电。 大约十年前，大多数数码设备都在使用专用的 AC 适配器充电。无法使用通用的 AC 适配器为数码设备充电，因为它们的“电池”可能非常不同，使用不同的连接器并需要不同的充电电压。 使用单个适配器为多个充电非常很难，甚至不可能，。 当时USB充电尚未普及，丢失AC适配器是一个大问题，在出差时，必须确保随身携带的所有数码设备的AC适配器都在行李中。
USB 技术迅速改变了这种情况。USB 还能够供电，因此它很快成为各种数码设备的电源解决方案。较小的设备，尤其是智能手机和小型数码相机，现在通过 USB 适配器充电。 单个适配器可用于各种设备 – USB AC 适配器现在是共享的。
USB PD 将供电能力提高 到 240W
USB 规范实现了数据通信和电源供应，这是与早期串行标准（如 PS/2）和并行接口（如 IEEE-1284）的主要区别点。USB 的供电能力在 1996 年发布的第一代 USB1.0 中定义为 2.5W （5V@500mA）。后来，第 3 代 USB3.0 将其增加到 4.5W （5V@900mA）。此外，随着 2007 年 8 月发布的“USB BC（电池充电规范）”，可以提供高达 7.5W （[email protected]） 的电流。这种供电能力仅适用于智能手机和数码相机等小型设备以实现快速充电，但仍然不足以提供典型笔记本电脑和打印机所需的功率（通常为 20W 或更高）。
图 1：USB PD 消除了多个 AC 适配器，简化了布线并整理了桌面
随之而来的标准是 USB PD （USB Power Delivery）。 第一个版本 （USB PD1.0） 于 2012 年 7 月发布，而2021年发布的USB PD3.1 允许通过单根 USB 电缆提供高达 240W的供电能力。例如，一台 15 英寸笔记本电脑消耗约 60W 的功率，一台 A3 级多功能打印机也需要大约 30W 的功率。在新规范下，两者都可以通过单个 USB 集线器供电，前提是两者都支持 USB PD。 只要每个设备都支持 USB PD，就可以从 USB 集线器为笔记本电脑供电，从同一个集线器为打印机供电（图 1）。
在传统的 PC 系统中，USB 的供电方向是固定的，从 PC 到连接到 PC 的设备，无法从如上所述配置的 USB 集线器为笔记本电脑供电。 但是，USB PD 支持角色交换（如下所述），允许每个设备在“主机”和“设备”角色之间切换，以及在“电源提供者”和“电源使用者”角色之间切换。因此，图中的笔记本电脑现在可以从集线器接收电源，同时还可以用作 USB 主机。用户不再需要使用多个 AC 适配器为主计算机和每个外围设备供电。相反，简单的 USB 电缆就足以处理电源和通信，消除了缠结的电线和多个 AC 适配器。
此外，我们相信 240W 直流电源将是一个机会，将 USB 供电的范围扩展到电动工具和手持式吸尘器等新设备，从而进一步扩大市场本身。
USB PD 与 Type-C® 配合使用，以实现最大功能
USB PD 1.0 定义的连接器和线缆向后兼容传统的 USB 规范。但是，USB PD2.0 及更高版本定义为与名为 USB Type-C 的新 USB 连接器一起使用。
图2显示了熟悉的标准 USB 连接器。 USB-A 连接器用于主机，而 USB-B 用于打印机和其他外围设备。Micro-B 连接器用于智能手机、平板电脑和其他小型设备。 基于USB的AC适配器具有与主机相同的 USB-A 连接器。
图 2：USB 连接器
请注意，图 2 中的连接器是非对称的;插头只有在正面朝上插入时才能安装。此外，USB-A 只能安装在主机中，而 USB-B 或 micro-B 只能安装在外围设备中。 相比之下，USB Type-C 连接器（图 3）是对称的（任一面朝上），可以连接到主机和外围设备。
这些 USB Type-C 连接器（如图 4 所示）比传统连接器具有更多的引脚，并且通过使用 SBU 引脚和 2 个 TX/RX 通道支持更多协议。例如，将计算机连接到显示器的单根 USB Type-C 电缆可以传输视频信号，同时提供所需的功率。有关 Type-C 规范的详细信息 ，请参阅 USB 供电（3）技术2 - USB Type-C 和角色交换。
图3：USB Type-C 插头比 USB-A和B小，比Micro-B略大
图 4：USB Type-C 引脚配置。
在 2014 年发布 USB Type-C 时，USB PD2.0 也同时发布。USB PD 2.0 定义了标准化供电和受电的“电源规则”，以及通过 USB 线缆传输非USB协议的“交替模式”(Alternate Mode)。2015 年发布的 USB PD 3.0 进一步修订了规范并增加了安全功能，尤其是与设备身份验证相关的功能。USB PD3.1，除了 5V、9V、15V 和 20V 外，标准电压已扩展到 28V、36V 和 48V。在 2023 年 10 月发布的 USB PD3.2 中，根据 AVS（可调电压供电）扩展到 9V（称为 SPR AVS）重新定义了“电源规则”。
USB PD 2.0 中引入的电源规则定义了多个标准电压和电流，以解决设备之间供电和耗的一致性，以便共享USB AC适配器。例如，在传统系统中，即使功耗为 15W，可以使用的 AC 适配器也会根据输入电压和电流的组合而有所不同，例如 5V@3A 或 [email protected]。因此，采取了更换 DC 插孔等措施来避免误用 AC 适配器。因此，无法共享 AC 适配器。
要将连接器标准化为 USB Type-C，必须考虑一下几点。
- 让用户轻松识别可用的 AC 适配器
- 在一定的功耗下，能够以标准输入电压和电流下工作
- 即使连接到功率能力大于自身功耗的AC适配器，也能正常工作。
当 USB Implementers Forum （USB IF） 编写此规范时，仍为用户很难通过两个参数（输入电压和最大工作电流）来找到可与设备一起使用的 AC 适配器。因此，USB-IF 定义了 USB-PD 2.0，以确保当AC适配器能提供比设备所需功率（以瓦特为单位）更大时，设备能正常工作。
USB-PD 2.0 引入了 AC 适配器必须支持的标准电压概念，以允许 USB-PD 兼容设备在设定的功率要求下使用相同的输入电压和电流工作。通过将设备设计为根据输入标准电压工作，可以共享 AC 适配器。
例如，供电能力为15W的AC适配器保证能够在 5V 时提供高达 3A 的电流。45W交流适配器总能在5V 时提供高达3A的电流，在9V时提供3A的电流，在15V时提供高达3A的电流。有关 “Power Rules” 的进一步解释将在我们的下一次会议中提供。
USB Type-C 释放的功能
与 USB Type-C 结合的USB PD3.2充分利用了 USB Type-C 的供电和多协议功能。下面，我们来看看一些重要的新技术。第一个重要技术是 USB PD 2.0 中引入的“交替模式”(Alternate mode)，用于通过 USB Type-C 线缆进行非PD协议通信。此功能允许 USB Type-C 线缆不仅可以传输 USB 协议，还可以传输 Thunderbolt3、Display Port 等其他信号。
另一个值得注意的特性是角色互换“Role Swap”。例如，当您尝试为旧笔记本电脑充电时，无法通过 USB 连接器充电，因为旧版笔记本电脑只有一个 USB-A 连接器。然而，越来越多的笔记本电脑采用了 USB Type-C 连接器，同样，外部电池也采用了用于电池供电的 USB-A 连接器、用于电池充电的 micro-B 连接器，以及可用于这两种功能的 USB Type-C 连接器。通过将外部电池的 USB Type-C 连接器连接到笔记本电脑的 Type-C 连接器，现在可以将笔记本电脑的电源方向反转，从外部电池来为笔记本电脑充电。
请注意，“Role Swap” 不仅支持电源方向，还支持数据通信。此外，即使电源角色交换正在进行，数据通信也可以继续进行而不会中断。换句话说，即使电源方向发生变化，数据也可以继续沿单个方向流动。
请详细参阅 USB 供电（3）技术2 - USB Type-C 和角色交换 了解“角色交换”。
内置安全管理
USB PD 规范与 USB Type-C 线缆一起使用，大大减少对 AC 适配器的需求，并允许提供更 简单的数码设备环境。但是，USB Type-C 线缆可以提供高达 240W 的功率，因此必须采取措施防止过热和类似问题。因此，USB PD 3.0 及更高版本包括允许互连设备和线缆的身份验证功能。 例如，如果使用的 USB 线缆未通过 USB-IF 认证，则可以不允许通过该线缆传输的功率超过 2.5W（5V，0.5A）的系统策略来实现安全性。
USB PD和USB Type-C 使到在任何地方购买的通用AC适配器都能使用，而不是为每个设备配备专用AC 适配器。
在下一节中，我们将介绍 USB PD 技术。