USB-IF(USB Implementers Forum)组织专门为USB Type-C接口推出了USB PD协议，升级的硬件接口使快充协议能够平衡最大充电功率和安全性。USB Type-C是一种近几年比较热的新的接口类型，可以同时应用于主设备和从设备，它提供各种扩展功能，具有更多引脚，可支持100W以上的功率以及5A以上的更大电流。因此USB PD协议既可以支持高压低电流，又可以支持低压高电流。其主要发展历程如下：
2012年，USB-IF发布USB PD 1.0快充协议。这是一种基于USB Type-A和USB Type-B接口的协议，由于线材等因素限制，充电功率较低，并没有得到广泛认可。
2014年，Fan He提出了USB PD 2.0快充协议，这是最初的基于Type-C 1.0接口的版本，最高可支持100W的使用功率。此时Type-C接口尚未得到大范围使用，成本也比较高，因此依然不是主流的快充协议。
2017年，Siamak Delshadpour和 Madan Vemula提出USB PD 3.0协议，创新性推出了PPS(Programmable Power Supply)规范，使高压低电流和低压高电流两种快充方式均得到支持，电压调节可以达到20mV。2019年谷歌做出明确规定，要求所有使用USB接口、带安卓系统的快充终端必须兼容PD协议，至此确立了PD协议在快速充电协议中的主导地位。
2021年5月25日，USB-F协会更新USB PD 3.1规范，将协议分为两个部分，一个是标准功率范围( Standard Power Range，SPR)，另外一个扩展功率范围(Extended Power Range，EPR)。实际上SPR其实就是上一版本USB PD 3.0协议的主体部分，也就是说这个部分的最大充电功率依然是100W；额外增加的EPR是在这个标准工作范围的基础上，把快速充电的最大功率大幅扩展到了240W，基本上是为了未来给笔记本电脑等大型设备充电做好准备。
USB PD 协议为了提高充电效率，需要更大的电流或者电压提高功率。而更高的功率会导致内部的温度变高，会给设备带来安全问题和使用寿命问题。因此，PD协议在充电过程中互相传递信息，查看内部是否处于正常的工作条件下，选择最合适的充电模式。而 Type-C接口虽然支持多种不同的用途，但是由于触点数量有限仅为功率协商预留一根通信线，因此USB PD 3.0是一种半双工的通信协议。另一方面，由于Type-C接口对应的线包内环境复杂，从而使其信道内存在的寄生电容、寄生电感较大，从而造成了通信信号容易DC(Direct Current)不平衡，数据在传输过程中易丢失、错位的问题。
USB Type-C接口将设备承担的角色在供电和数据传输上进行了分离。当用于电力传输时，将端口分为SOURCE端(即供能端)和SINK端(即消耗端)。对于既能够作为SOURCE端，又能够作为SINK端的设备，称之为DRP设备。当用于数据传输时，将端口分为DFP(即数据下行端口)和UFP(即数据上行端口)。默认情况下，SOURCE 端作为DFP，SINK端作为UFP。
1.基于Type-C接口的PD3.0通信流程
PD3.0快充协议完整的结构是由Source端和Sink端组成。PD3.0协议系统结构如下图所示，其中在功能结构上Source端和Sink端有着相似的结构，用来满足在工作中通过快充协议协商并交换供电角色。
其中，设备管理器(Device Policy Manager，DPM)用来管理和存储PD 3.0协议中的数据，一般通过微控制单元(Micro Controller Unit，MCU)来实现设备管理器功能；策略引擎层Policy Engine在Source端和Sink端都存在，在DPM的指示下用来实现包括管理序列指令和Sources、Sinks和Cable Plugs的状态管理等功能；Protocol Layer被称为协议层用来完成所有指令的组建和使用，包括定时器和时间管理、消息使用和计数器重置、错误处理和状态响应等；Physical Layer被称为物理层主要功能是对通信数据进行编码以实现PD 3.0协议所需要的信号波形，完整的物理层包括发送端和接收端并通过CC通道相连，Physical Layer物理层编码功能是USB_PD 3.0协议的核心。
下图描述了快充协议的协商过程，即Source端和Sink端为了完成充电通信所需要发送不同指令的过程。
通常情况下，从Source端到Sink端完整的充电过程至少需要经历以下六个步骤：
(1)Source端通过发送包含电能规格信息的Message Header和 Data Objects来向所有连接的Sink端广播自己的供电能力。
(2)Sink端成功收到包含电能信息的数据后回复GoodCRC指令，按照自身电能需求从Source端发送合适的电能规格中选择一个适合自身情况的电能等级规格并向Source端发送电能请求信号。
(3)Source端成功收到电能请求信号后回复GoodCRC指令，评估Sink端发送的电能请求信号中的所需电能规格，经过评估后返回“同意”接收该电能规格请求的信号。Sink端成功收到同意接收信号后回复GoodCRC指令。
(5)Source端通过启动DC/DC电源电路切换到协商后的电能规格，发送电能就绪信号给Sink端，通知Sink端可以准备使用请求电能。
(6)Sink端成功收到电能就绪信号后，回复GoodCRC 指令并开始使用协商后的电能。
2.BMC编码原理
BMC编码全称是双向标记编码，是PD 3.0协议数据在物理层传输中所使用的编码技术。该编码技术可以有效确保通信数据在CC通道上实现DC平衡。BMC编码本质上是曼彻斯特编码的一种，使用BMC编码传输一个UI码元时在每个码元起始处会发生电平的跳变，同时当传输高电平1时也会在码元中部发生电平的跳变，即在传输高电平1和连续两个低电平0时都会保证DC平衡。因此，BMC编码是一个高效率的DC平衡的编码技术。下图表示为包含引导头Preamble、Sync-1、Sync-2和 SOP*数据波形的BMC编码波形图。
BMC编码在传输Preamble引导头时，会在起始阶段传输一个低电平0用来提示BMC编码数据启动传输，即Preamble引导头是从低电平0起始的。因此，在接收端可以忽略第一个上升沿，并且在传输Preamble第一位之前至少保持tStartDrive时长的高阻态。其中 , tStartDrive持续时间为-1us~1us，即第一个码元起始前1us至后1us之间，波形如下图所示。
3.协议分析验证
3.1电能协商过程CC信号变化波形
用示波器观察CC通道和VBUS电压波形。如下图所示，其中绿色信号为CC通信通道，红色VBUS为电源供电电压。经过CC通道进行PD3.0通信，VBUS成功进行电压调整后并输出协商后电压。
3.2 CC通道BMC编码数据波形
为了观察在通信过程中CC信道的波形变化，采用示波器对通信电压进行实时检查并截取通信中的BMC编码波形。但由于整个PD通信数据较大，只截取了部分波形。BMC编码中每一个码元之间会有电平反转，并且当出现高电平1时或者多个连续低电平0时，都存在输出电平反转。当传输1时，电压在一个码元内发生反转；当传输0时，电压保持一个码元不变。如下图所示，绿色CC通道中的高低变化表示为BMC编码数据。
