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詳解PD協(xié)議的FRS 機(jī)制
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(jī)制，即Fast Role Swap，簡(jiǎn)稱(chēng)FRS。FRS的主要功能是，當(dāng)用戶使用外接電源的USB拓展塢（USB Hub）時(shí)，若用戶拔掉外接電源，則系統(tǒng)會(huì)快速切換供電Source，防止系統(tǒng)斷電。下文會(huì)詳細(xì)介紹FRS的應(yīng)用場(chǎng)景，以及從原理層面詳述其實(shí)現(xiàn)方式，并舉例說(shuō)明FRS的實(shí)際應(yīng)用。
FRS的典型應(yīng)用場(chǎng)景
下圖是典型的FRS的應(yīng)用場(chǎng)景。該場(chǎng)景包含三個(gè)主要設(shè)備，Type-C電源適配器，USB拓展塢（Hub）以及一臺(tái)筆記本。通常，Hub至少有兩個(gè)Type-C口，一個(gè)C口作為Sink，連接電源適配器；另一個(gè)Type-C口作為上行口，連接筆記本。功率方面，Hub作為Source，通過(guò)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(jìn)行USB數(shù)據(jù)和DP信號(hào)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(chǎng)景下，想象一下用戶可能正在拷貝U盤(pán)，或通過(guò)Hub外接顯示器給客戶展示產(chǎn)品方案，用戶無(wú)意中拔掉了Type-C電源，那么對(duì)于不支持FRS功能的產(chǎn)品，用戶會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于供電突然中斷，U盤(pán)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(dòng)供電。這時(shí)，用戶不得不重新進(jìn)行U盤(pán)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(wèn)題。在Type-C電源拔掉的瞬間，Hub和筆記本之間會(huì)立刻觸發(fā)FRS機(jī)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(shù)，用戶可以任意的插拔Type-C電源，而不會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)中斷，或顯示器黑屏的問(wèn)題。
FRS的實(shí)現(xiàn)機(jī)制
該功能需要Hub端和筆記本端同時(shí)支持FRS。下面會(huì)從信號(hào)與功率切換的層面，以及PD信息的溝通序列兩個(gè)層面介紹，在FRS這個(gè)過(guò)程中，兩個(gè)層面是如何協(xié)調(diào)工作的。下圖是FRS完整的實(shí)現(xiàn)框圖和電壓變化時(shí)序。
信號(hào)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(kāi)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(hào)（通過(guò)CC實(shí)現(xiàn)）；
C. 筆記本檢測(cè)到FRS信號(hào)后，在15ms內(nèi)（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(huì)同時(shí)檢測(cè)VBUS降至5V以下。Hub會(huì)向筆記本發(fā)送PS_RDY（如下步驟5）；
E. 當(dāng)筆記本檢測(cè)到VBUS降至5V以下時(shí)，筆記本打開(kāi)供電Switch，對(duì)VBUS進(jìn)行供電。這個(gè)過(guò)程需要在150us（tSrcFRSWap）內(nèi)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(shí)現(xiàn)了不斷電的快速功率角色切換。這個(gè)過(guò)程中，F(xiàn)RS信號(hào)的檢測(cè)是由Policy Engine (PE)來(lái)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(hào)（步驟C）后，向Hub發(fā)送FR_Swap信息；
2. Hub評(píng)估完該指令后，回復(fù)Accept；
3. 當(dāng)Hub檢測(cè)到VBUS電壓降至5V以下（步驟D）時(shí)，發(fā)送PS_RDY信息，準(zhǔn)備切換新的Source；
4. 當(dāng)筆記本打開(kāi)供電Switch給VBUS供電（步驟E）時(shí)，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(shuō)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(yīng)用舉例
下面通過(guò)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例說(shuō)明FRS的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。我們會(huì)更多介紹PD信息溝通序列是如何實(shí)現(xiàn)的。下圖是實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備之間的連接方式和內(nèi)部設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化圖。
在硬件設(shè)計(jì)上，Hub內(nèi)部需要增加一個(gè)大容量電容，以保證FRS過(guò)程中（步驟D-E），盡可能地維持電壓穩(wěn)定。
在進(jìn)行FRS之前，Hub已經(jīng)與筆記本完成了基本通信，并實(shí)現(xiàn)供電。為了后續(xù)保證能夠進(jìn)行FRS，這個(gè)過(guò)程還需要進(jìn)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(lái)當(dāng)用戶拔出電源適配器時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入FRS過(guò)程。
至此，供電Source從Hub端切換至了筆記本端。需要說(shuō)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(méi)有展示出DP Altmode的相關(guān)協(xié)議。整個(gè)FRS過(guò)程不存在協(xié)議和供電斷連的狀態(tài)，因此在用戶端，不會(huì)看到數(shù)據(jù)拷貝中斷或顯示器中斷的問(wèn)題。
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