在当代嵌入式系统设计中，USB Power Delivery（PD）协议已成为高功率设备供电的核心标准。随着 Type-C 接口的普及，从物联网设备到工业控制器，越来越多的嵌入式产品需要实现智能电源管理。pdsink 作为一个专门为嵌入式设备设计的 USB PD Sink 库，为开发者提供了轻量级且易于集成的解决方案。
USB PD 在嵌入式系统中的核心价值
USB PD 协议通过 Type-C 接口实现了前所未有的供电灵活性，支持从 5V/500mA 到 48V/5A 的宽范围功率输出。对于嵌入式系统而言，这意味着可以用单一接口解决数据传输和供电两大需求，大幅简化硬件设计。更重要的是，PD 协议的动态功率协商能力让设备能够根据实际需求请求最合适的电压电流配置，在保证性能的同时优化能效。
传统嵌入式电源设计往往需要多个电压轨和复杂的电源管理电路，而 USB PD 的标准化特性使得电源设计变得更加模块化和可预测。特别是在便携式设备和电池供电系统中，PD 协议的快速充电能力可以显著缩短充电时间，提升用户体验。
pdsink 库的架构设计与功能特性
pdsink 库采用 C++ 开发，核心设计理念是平台无关性和易用性。库的核心代码不依赖任何特定平台，这使得开发者可以将其移植到各种 MCU 架构上。在实际使用中，pdsink 依赖 ETL（Embedded Template Library）提供基础数据结构和算法支持，但不会锁定特定版本的 ETL，避免了与应用程序的依赖冲突。
从功能角度看，pdsink 专注于最常见的 PD Sink 需求，支持 SPR（Standard Power Range）模式下的 Fixed 和 PPS（Programmable Power Supply）电压输出，以及 EPR（Extended Power Range）模式下 28V 及以上的高电压输出。这种精心设计的功能范围避免了过度复杂化，同时满足了大多数嵌入式应用的功率需求。
值得注意的是，pdsink 的设计边界也很明确：不支持 Source 角色、DRP（Dual Role Power）、DFP（Downstream Facing Port）、FRS（Fast Role Swap）和 Alt Modes 等高级功能。这种专注性使得库的代码量更小，更容易理解和维护，特别适合资源受限的嵌入式环境。
硬件平台选择与集成策略
在硬件层面，实现 USB PD 功能主要有三种方案：使用内置 UCPD 外设的 MCU、外接专用 PD 控制器芯片，或者使用 FUSB302 等通用 Type-C 控制器配合软件协议栈。
STM32 系列提供了超过 500 款内置 UCPD 外设的 MCU，这使得开发者可以在不增加外部硬件的情况下实现完整的 PD 功能。ST 官方的 UCPD 外设支持最新的 USB PD 3.1 规范，包括 SPR 消息（最高 100W）、EPR 消息（最高 240W）、PPS 和 Alternate Mode 等功能。对于成本敏感且功能需求复杂的项目，这是一个理想的选择。
对于需要更高集成度的应用，HUSB238A、PW6606 等专用 PD Sink 控制器芯片提供了单芯片解决方案。这些芯片内置了完整的 PD 协议栈和电源管理功能，通过 I2C 或 GPIO 接口与主 MCU 通信。例如，HUSB238A 支持最高 48V/5A 的 EPR 输出，集成了 VBUS 开关驱动和过压过流保护，非常适合高功率应用。
在实际集成中，pdsink 库提供了基于 FUSB302 和 ESP32-C3 的 Arduino 示例，这为快速原型开发提供了很好的起点。开发者可以根据具体需求选择合适的硬件平台，然后通过实现 pdsink 的 HAL（Hardware Abstraction Layer）接口来完成移植。
功率协商与充电控制实现
PD 协议的核心是功率协商过程，这是一个基于 BMC（Biphase Mark Coding）编码的半双工通信协议。在实际应用中，协商过程通常在设备连接后的几毫秒内完成，涉及多个消息交换阶段。
首先，Sink 设备会通过 CC 线检测 Source 的存在，然后发送 Capabilities 消息来了解 Source 能提供的功率配置。Source 会回复 Source_Capabilities 消息，包含一个或多个 PDO（Power Data Object），每个 PDO 定义了一种可用的电压电流组合。Sink 根据自身需求选择最合适的 PDO，并发送 Request 消息请求该配置。Source 确认后，双方建立功率合同，Source 开始按照协商的参数供电。
在充电控制方面，pdsink 提供了状态回调机制，允许应用程序监控 PD 状态变化并做出相应响应。当检测到电压电流变化时，应用程序可以调整充电策略，比如在电池接近充满时降低充电电流，或者在温度过高时暂停充电。
对于支持 PPS 的应用，pdsink 还允许动态调整电压，这在一些需要精确电源管理的场景中非常有用。例如，在电机控制应用中，可以根据负载情况动态调整供电电压以优化效率。
工程实践与参数配置清单
在实际项目中使用 pdsink 时，有几个关键的工程考虑因素需要重点关注。首先是硬件设计，必须确保 CC 线的阻抗匹配和信号完整性，这直接影响 PD 通信的可靠性。推荐使用专门的 Type-C 连接器，并在 PCB 布局时尽量缩短 CC 线的长度。
其次是软件配置，需要根据应用需求设置合适的 PDO 列表。对于大多数嵌入式应用，建议包含 5V/2A、9V/2A 和 12V/1.5A 等常用配置，以兼容不同功率的电源适配器。如果应用需要高功率，还可以添加 15V/3A 或 20V/2.25A 的配置。
安全保护是另一个关键考虑因素。建议在软件中实现过压、过流和过温保护机制，并在硬件上添加相应的保护电路。特别是在高功率应用中，必须确保 VBUS 的开关器件具有足够的额定电压和电流余量。
调试 PD 相关问题时，建议使用专门的 PD 协议分析仪，或者至少具备示波器和逻辑分析仪来监控 CC 线和 VBUS 的信号。很多 PD 通信问题都源于时序问题或信号质量，因此仔细检查硬件信号质量往往是解决问题的第一步。
最后，考虑到 PD 协议的复杂性，建议在项目初期就规划好测试策略。包括与不同品牌电源适配器的兼容性测试、异常情况处理测试（如热插拔、断电恢复等），以及长时间稳定性测试。这些测试确保产品在各种实际使用场景中都能可靠工作。
总结
pdsink 库为嵌入式系统提供了一个简洁而强大的 USB PD Sink 实现方案。通过其平台无关的核心设计和丰富的硬件支持，开发者可以快速将 PD 功能集成到各种嵌入式产品中。在选择合适的硬件平台和正确配置参数的基础上，pdsink 能够帮助开发者构建可靠、高效的智能电源管理系统，满足现代嵌入式应用对电源管理的苛刻要求。
随着 USB PD 标准的不断演进和 Type-C 生态的进一步成熟，掌握 PD 协议实现技术将成为嵌入式开发者的核心竞争力之一。pdsink 这样的开源库不仅降低了技术门槛，也为整个生态的发展贡献了重要力量。
资料来源：
- pdsink GitHub 仓库：https://github.com/pdsink/pdsink
- STM32 UCPD 解决方案技术文档：https://www.stmicroelectronics.com.cn/content/st_com/en/ecosystems/stm32-usb-c.html