摘要
USB Power Delivery（PD）协议自2012年问世以来，经历了1.0、2.0、3.0、3.1多次重大演进。其中PPS（Programmable Power Supply，可编程电源）作为PD 3.0时代的核心快充特性，打破了传统固定电压档位的限制，实现了以20mV精细步进调节电压、以50mA步进调节电流的精准供电能力。本篇文章面向硬件工程师、系统架构师及消费电子从业者，系统梳理PD PPS的技术原理、电压电流profiles、典型应用场景，以及基于PPS的芯片选型建议。规格数据参考USB-IF官方规范文件，不确定处标注「参考官方数据手册」。
一、市场背景：为什么PPS成为旗舰充电标配
进入2020年代，支持PD PPS的设备呈现爆发式增长。手机领域，三星、华为、小米、OPPO等主流品牌的旗舰机型均已支持PD PPS；笔记本领域，Intel Thunderbolt 4兼容PD 3.1 EPR（Extended Power Range）；户外电源、电动工具、无人机等品类也在快速跟进。
传统QC（Quick Charge）等协议依赖固定电压档位，设备与充电器之间的握手简单但效率受限。而PPS允许受电端（Sink）以极细粒度动态协商电压电流，充电器（Source）根据负载需求实时调整输出，将转换效率提升至95%以上，同时显著降低发热。
二、PD PPS核心原理
2.1 固定电压档位 vs PPS连续调节
PD 2.0时代，Source端广播一组固定电压（5V/9V/15V/20V），Sink选择其中一个档位后，Source按选定电压固定输出。这种方式实现简单，但当设备需求与固定档位不匹配时，需要在设备端额外进行二次DCDC转换，造成能量损耗与发热。
PPS则在PD 3.0规范中引入可变电压域（Variable Vbus）机制。Source不再受限于固定档位，而是在5V至20V（PD 3.1 EPR可达48V）范围内，以20mV为最小步进值连续调节输出电压。Source同时广播可提供的电压范围与最大电流，Sink据此精确请求所需电压电流组合。
2.2 PPS的电压调节机制
PPS控制通过PD协议的Data Message（DATA PACKET）实现。Sink设备通过Request Data Message向Source发送PPS请求，包含：
- Operating Current（工作电流）：以50mA为步进单位
- Operating Voltage（工作电压）：以20mV为步进单位
- 最大工作电流（Maximum Operating Current）
Source收到请求后，在硬件能力范围内进行响应。如果请求超出Source能力（如电压超出可调范围），Source返回Reject或Not_Supported，设备自动降级请求。
2.3 PPS与AVS（Adjustable Voltage Supply）的区别
AVS是PD 3.1 EPR规范引入的另一种可调模式，专门针对大功率设备（60W以上），支持更宽的电压范围（15V至可变最大电压），且调节步进为100mV。PPS面向中小功率（通常≤100W），调节更精细（20mV步进），两者定位不同，工程师选型时需明确区分。
三、PD PPS电压电流profiles详解
3.1 标准PD 3.0 PPS Profiles
根据USB-IF PD 3.0规范，典型PPS电压电流profiles如下（以下为参考值，实际以厂家数据手册为准）：
| Profile | 电压范围 | 最小步进 | 电流范围 | 最大功率 |
|---|---|---|---|---|
| PPS 3A | 3.3V–11V | 20mV | 0.5A–3A | 33W |
| PPS 5A | 3.3V–21V | 20mV | 0.5A–5A | 100W（受接口限制） |
| PPS EPR | 15V–48V | 100mV | 最高5A | 240W |
3.2 常见移动设备PPS实现
手机（通常3.3V–11V PPS）：
- 三星Galaxy S系列：通常支持9V/3A或11V/3A PPS，最大功率约45W
- 小米/红米：通常支持11V/6A PPS，最大功率约67W（私有协议除外）
- 华为：部分机型支持20V/4A PPS（共80W），但可能不完全兼容公版PPS
笔记本（通常15V–21V PPS）：
- USB-C轻薄本：典型支持20V/3.25A（65W）PPS
- 支持PD 3.1 EPR的设备：可支持28V/5A（140W）、36V/5A（180W）等更高功率档位
3.3 PPS与接口规格的制约关系
实际最大可用功率受接口物理规格限制：
| 接口类型 | 最大电流 | 典型最大功率（PD 3.0） |
|---|---|---|
| USB-C 3.1 Gen1 | 3A | 60W（20V×3A） |
| USB-C 3.1 Gen2 | 5A | 100W（20V×5A） |
| USB-C EPR | 5A | 240W（48V×5A） |
超过3A电流需要USB-C接口内置E-Marker芯片确认线缆规格，否则协议握手上限自动限制为3A。
四、PPS工程设计指南
4.1 充电器端设计要点
设计一款支持PPS的充电器，核心芯片通常包括：
- PD协议芯片：负责与Sink端协商，支持PPS广播与请求处理。常用型号如乐得瑞LDR6020（支持PD 3.0）、LDR6023CQ（支持PPS+多协议）。设计时需确保协议芯片能够以20mV步进精度报告电压可调范围。
- DCDC控制器：根据协议芯片指令实时调整输出电压，要求响应速度快、纹波低。同步整流DCDC效率应≥95%。
- 功率开关管：高边/低边MOSFET，需选择低Rds(on)以降低导通损耗。65W设计通常选用30V/40V耐压CoolMOS或GaN器件。
- 温控与保护：PPS动态调压过程中，热设计至关重要，建议在PCB布局时留足散热铜箔面积，并配置过温保护（OTP）。
4.2 设备端设计要点
设备端（如手机主板）接入USB-C接口时，需要：
- Sink协议芯片：监听Source端广播的PDO（Power Data Object），从中解析PPS能力，发送Request请求所需电压电流。
- VBUS检测与路径管理：设备需要检测CC引脚以确认插拔方向，并管理BC1.2、QC、AFC等协议的共存问题。
- DCDC转换电路：Sink端通常需要二级DCDC将VBUS电压转换为各子系统所需电源轨（如3.8V给电池充电管理、1.8V/3.3V给SoC供电），PPS的优势在于可尽量减少二级转换的压差，从而降低损耗。
4.3 线缆与连接器注意事项
- 3A线缆：标准USB-C线缆，E-Marker可选，VBUS/RES电阻75kΩ下拉表示无E-Marker
- 5A线缆：必须内置E-Marker芯片，线缆两端接头内含50kΩ CC电阻上拉
- EPR线缆：需支持50V耐压，最高可通过5A电流
五、PPS芯片选型建议
5.1 充电器/适配器侧芯片选型
| 芯片型号 | 厂商 | PD版本 | PPS支持 | 多协议 | 典型封装 |
|---|---|---|---|---|---|
| LDR6020 | 乐得瑞 | PD 3.0 | ✅ | ❌ | QFN-32 |
| LDR6023CQ | 乐得瑞 | PD 3.0 | ✅ | ✅ QC/AFC/FCP | QFN-32 |
| LDR6028 | 乐得瑞 | PD 3.1 EPR | ✅ | ✅ 多协议 | QFN-40 |
| CH236D | 维安 | PD 3.0 | ✅ | ✅ | SOP-16 |
| IP2723 | 英集芯 | PD 3.0 | ✅ | ✅ | QFN-24 |
选型建议：
- 65W以下单口充电器：LDR6020或IP2723足矣，外围简洁
- 多口快充设计：LDR6023CQ多协议支持强，适合折叠排插类产品
- 140W以上大功率：LDR6028（PD 3.1 EPR）是更完整方案
5.2 设备端协议芯片选型
设备端（如主板嵌入式）侧重Sink功能，以下是常见Sink控制器（参考官方数据手册）：
| 芯片型号 | 厂商 | PD版本 | PPS Sink | 其他特性 |
|---|---|---|---|---|
| LDR6032 | 乐得瑞 | PD 3.0 | ✅ | CC逻辑+VBUS管理 |
| LDR6035 | 乐得瑞 | PD 3.1 | ✅（EPR） | 多接口支持 |
| CH224 | 维安 | PD 3.0 | ✅ | 超小封装，适合手表/耳机盒 |
六、FAQ
Q1：PPS和传统QC协议能否同时工作？
通常不能。设备接入电源后，双方通过CC引脚完成PD握手，握手成功则进入PD模式；若PD握手失败或Source端不支持PD，则退化为BC1.2/QC等备用协议。多数芯片支持PD/QC双协议自动协商，但PPS仅在PD握手成功后才可启用。
Q2：使用PPS充电时发热比固定档位大吗？
恰恰相反。PPS的精细电压调节减少了设备端二级DCDC的压差，实际发热通常低于传统9V/12V固定档位方案。但充电器端因持续动态调压，对DCDC响应速度要求更高，若设计不当可能在高功率输出时出现明显发热。
Q3：为什么部分手机明明宣传支持PD PPS，实际充电速度却很慢？
这通常是因为手机端对PPS电流请求设置了厂商私有限制。例如某品牌手机在PPS模式下限制最大电流为2A（而非3A），导致实际功率远低于理论峰值。部分厂商还通过私有协议（如小米Mi Turbo Charge、华为SuperCharge）对PPS进行了性能限制，公版PPS握手后仅能获得较慢的充电速度。
Q4：PPS电压可以低于5V吗？
可以。PPS规范中电压可调范围从3.3V起，但需要Source端明确支持低于5V的电压档位广播。多数充电器因降压效率考量，最低下限通常设为3.3V或5V，具体以厂家数据手册为准。
结论
USB PD 3.0 PPS为消费电子充电场景带来了精细化、智能化供电能力，以20mV/50mA的调节粒度打破了传统固定电压档位的效率瓶颈。工程师在设计支持PPS的系统时，需重点关注协议芯片的PPS支持范围、DCDC的动态响应能力、接口与线缆的电流规格匹配，以及设备端是否受制于厂商私有快充限制。随着PD 3.1 EPR逐步普及，240W功率上限将覆盖更多高性能设备，PPS的应用版图也将进一步扩展。
设计时务必参考各芯片原厂数据手册确认实际规格参数，本文中参数仅供参考。