詳解PD協(xié)議的FRS 機制

來源：時間：2024-10-22

在USB Power Delivery 3.0以上版本中，規(guī)定了一種快速功率角色切換的機制，即Fast Role Swap，簡稱FRS。FRS的主要功能是，當用戶使用外接電源的USB拓展塢（USB Hub）時，若用戶拔掉外接電源，則系統(tǒng)會快速切換供電Source，防止系統(tǒng)斷電。下文會詳細介紹FRS的應用場景，以及從原理層面詳述其實現(xiàn)方式，并舉例說明FRS的實際應用。

FRS的典型應用場景

下圖是典型的FRS的應用場景。該場景包含三個主要設備，Type-C電源適配器，USB拓展塢（Hub）以及一臺筆記本。通常，Hub至少有兩個Type-C口，一個C口作為Sink，連接電源適配器；另一個Type-C口作為上行口，連接筆記本。功率方面，Hub作為Source，通過PD協(xié)議給筆記本提供電能；數(shù)據(jù)方面Hub與筆記本之間進行USB數(shù)據(jù)和DP信號的傳輸（若該Hub支持DP Alt Mode，即Hub可以拓展DP或HDMI顯示）。

這種場景下，想象一下用戶可能正在拷貝U盤，或通過Hub外接顯示器給客戶展示產品方案，用戶無意中拔掉了Type-C電源，那么對于不支持FRS功能的產品，用戶會發(fā)現(xiàn)，由于供電突然中斷，U盤拷貝也因中斷而失敗了，顯示器黑屏了，直到筆記本作為Source重新啟動供電。這時，用戶不得不重新進行U盤拷貝，并尷尬地向客戶解釋剛剛發(fā)生的狀況。

FRS完美地解決了上述供電突然中斷的問題。在Type-C電源拔掉的瞬間，Hub和筆記本之間會立刻觸發(fā)FRS機制，使得功率流向在不斷電的情況下發(fā)生切換。

基于FRS技術，用戶可以任意的插拔Type-C電源，而不會發(fā)生數(shù)據(jù)中斷，或顯示器黑屏的問題。

FRS的實現(xiàn)機制

該功能需要Hub端和筆記本端同時支持FRS。下面會從信號與功率切換的層面，以及PD信息的溝通序列兩個層面介紹，在FRS這個過程中，兩個層面是如何協(xié)調工作的。下圖是FRS完整的實現(xiàn)框圖和電壓變化時序。

信號和功率切換

A. 電源適配器拔出，連接到Hub的Type-C端口電壓開始下降，并降至最低有效電壓閾值（vSrcValid_min，即有效電壓-0.5V）以下；

B. Hub向筆記本發(fā)送FRS信號（通過CC實現(xiàn)）；

C. 筆記本檢測到FRS信號后，在15ms內（tFRSwapInit）向Hub發(fā)送FR_Swap信息；

D. VBUS電壓持續(xù)下降，Hub和筆記本會同時檢測VBUS降至5V以下。Hub會向筆記本發(fā)送PS_RDY（如下步驟5）；

E. 當筆記本檢測到VBUS降至5V以下時，筆記本打開供電Switch，對VBUS進行供電。這個過程需要在150us（tSrcFRSWap）內完成；

F. Hub切換CC上拉Rp至下拉Rd；

G. 筆記本切換CC下拉Rd至上拉Rp

至此，雙方便實現(xiàn)了不斷電的快速功率角色切換。這個過程中，F(xiàn)RS信號的檢測是由Policy Engine (PE)來完成的，而其他部分由Device Policy Manger (DPM ) 完成。

PD信息溝通序列

1. 筆記本在接收到FRS信號（步驟C）后，向Hub發(fā)送FR_Swap信息；

2. Hub評估完該指令后，回復Accept；

3. 當Hub檢測到VBUS電壓降至5V以下（步驟D）時，發(fā)送PS_RDY信息，準備切換新的Source；

4. 當筆記本打開供電Switch給VBUS供電（步驟E）時，發(fā)送PS_RDY信息。

至此在PD信息溝通序列層面就完成了FRS。需要說明的是，該序列描述省去了GoodCRC信息。如下是PD信息溝通序列的示意圖。

FRS應用舉例

下面通過一個應用實例說明FRS的實現(xiàn)過程。我們會更多介紹PD信息溝通序列是如何實現(xiàn)的。下圖是實際應用中，設備之間的連接方式和內部設計簡化圖。

在硬件設計上，Hub內部需要增加一個大容量電容，以保證FRS過程中（步驟D-E），盡可能地維持電壓穩(wěn)定。

在進行FRS之前，Hub已經與筆記本完成了基本通信，并實現(xiàn)供電。為了后續(xù)保證能夠進行FRS，這個過程還需要進行一些初始配置（FRS Initial Setup），例如判斷Hub是否支持FRS，Hub的受電能力是多少等等。

完成初始配置以后，系統(tǒng)確定雙方支持FRS。接下來當用戶拔出電源適配器時，系統(tǒng)進入FRS過程。

至此，供電Source從Hub端切換至了筆記本端。需要說明的是，大多數(shù)Hub支持HDMI或DP的拓展顯示功能，為了便于理解，這里沒有展示出DP Altmode的相關協(xié)議。整個FRS過程不存在協(xié)議和供電斷連的狀態(tài)，因此在用戶端，不會看到數(shù)據(jù)拷貝中斷或顯示器中斷的問題。

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