[充電雜談] 快充協議如何工作的?

快充協定是充電器與設備溝通握手所需的“語言”,只有正確“對話”後,才可以“握手”成功,進行快速充電。我們一步一步來看不同的快充協議是怎樣工作的。

一、舊式快充協議


幾年前快充協議十分簡單,簡單到類似交通信號燈,幼稚園小朋友都可以通過顏色判斷信號含義。設備與充電器不需要很“聰明”就可以讀懂雙方的需求,不管是研發難度還是物料成本都簡單便宜。而快充協議的紅綠燈,則是採用D+D-電壓進行資訊傳輸。

舊式快充協定都是使用USB2.0通訊介面,常見於USB-A介面。圖片中是一個在移動電源上的USB-A輸出母座,可以看到他與主機板連接的只有四個引腳,其中兩側是用於傳輸電流的VCC、GND引腳,中間的是用於傳輸資料的D+、D-引腳。D+D-的“D”是資料Data的意思,充電端與接受電力的設備之間通過D+D-進行資料通訊,進而握手快充協議。

我們再來看看充電線,一般來說USB2.0資料線USB-A介面上只有4個觸點,與USB-A母座定義相同,最外面兩個是用來傳輸電流的,中間兩個是用來傳輸資料的。VCC、GND較長,D+D-較短,那是故意設計,為了拔出時先斷開資料連接,後斷開電力供給。

1APPLE2.4A


在大家都是5V充電的年代,iPhone直接充電只有5W,需要充電器有特殊的識別電阻才可以獲得更大充電功率。圖中PCB左邊是兩個USB-A輸出口的焊盤,共用了一顆支持雙路智慧識別的協定晶片,iPhone插入後,協定晶片調整USB-A介面的D+D-電壓為2.7V/2.7V,提供APPLE 2.4A的識別。而最右邊的USB-A介面,則是簡單地將D+D-直接連起來短接,提供DCP 5V1.5A的輸出識別。

通過POWER-Z測試儀監測iPhone 8 Plus的充電,可以發現當前D+D-電壓為2.66V/2.65V,接近APPLE2.4A識別協議的2.7V/2.7V,iPhone 8 Plus進入APPLE2.4A充電模式,功率達到12W。

2QC2.0


進入QC2.0高壓快充年代後,USB-A介面不再是簡單的5V輸出,而是可以升壓至9V甚至12V電壓獲取大功率電力傳輸,這存在一定危險,什麼情況才需要升壓而不會燒壞設備?所以QC年代智慧識別晶片做出了較大的進化,包含了多種不同快充協定,QC、FCP、AFC等等,同樣是通過控制D+D-電壓來進行輪詢判斷。例如QC2.0快充需要輸出9V的話,D+D-電壓就是3.3V/0.5V,需要輸出12V的話,D+D-電壓就調節為0.5v/0.5v,沒有回饋就不進行升壓,保持5V輸出確保安全。

3MTK PE


如果說QC2.0基於D+D-電壓進行通訊的方式類似紅綠燈的話,魅族手機採用的MTK PE快充則是類似打電報的摩爾密碼,嘀——嘀嘀嘀——嘀嘀——嘀嘀嘀——嘀——嘀——這樣進行通訊。PE快充不需要D+D-資料傳輸,甚至只有VCC GND的兩芯資料線都可以成功使用並觸發PE快充,並且PE的電流脈衝信號近乎於無損數位傳輸,不會像D+D-那樣出現電壓值誤差無法觸發快充的情況。

圖中是POWER-Z USB測試儀抓取到魅族觸發PE快充時的電流脈衝,可以看到電流的通斷與間隔就像打電報一樣進行資訊傳遞,資訊傳遞握手正確後,充電器輸出電壓從5V跳至7V再跳至9V。但PE快充太少眾,市場佔有率低沒有話語權,配件選擇面也少,甚至現在連魅族新機型都不再支持PE快充,這就是題外話了。

二、USB PD高級通訊協定

在進入USB PD快充時代後,充電器與數位產品的物理介面從USB-A口全面過渡到USB-C介面,USB-C介面擁有更多的Pin腳,支持更高的電力傳輸上限,並且完全不同於以往簡單的D+D-識別,而是智慧式資料包雙向溝通的手段進行更加複雜的通訊。如果說舊式快充協議是幼稚園學生看紅綠燈過馬路的話,USB PD快充協議就是兩個成年人在進行微信聊天這種複雜程度。

我們來先看看介面的區別,USB-C物理介面滿pin形態高達24個針腳,但用於充電不管多大功率,都只要USB2.0形態的12個針腳就足夠了,滿pin多出來的針腳是用於跑USB3.0/3.1/3.2/雷電等高速資料的,與充電無關,下面我們重點介紹一下USB2.0標準pin腳的USB-C介面。

可以看到USB-C用於電力傳輸的VBUS、GND一共有兩對也就是4根針腳,除了支持正反面盲插外,多了一倍的針腳讓他可以支撐更大功率的電力傳輸。在介面的中間可以看到D+D-這兩個USB-A標準上的針腳,所以USB-C可以向下相容資料通訊。而USB PD最關鍵的是CC針腳,CC線是USB PD快速充電標準用於資訊交換的通道,沒有CC針腳的話就無法進行PD快充。一些魔改USB-A口,雖然形態是A口,但中間新增了一根針腳CC線,所以可以在A口上跑USB PD協議。

USB-C通訊採用可程式設計語言進行雙向通訊,需要用到高性能USB PD控制器,晶片體積、針腳數量、複雜程度都遠超QC年代的協定晶片。下面我們通過POWER-Z USB測試儀抓取充電器與手機之間的通訊包,看看在充電過程中發生了什麼事情。

1PD2.0


USB PD快速充電標準現在已經發展到PD 3.0,數字越大的版本所支持的功能越多,我們先看看PD2.0。PD2.0快充支援固定電壓檔切換,可以根據充電器廣播選擇需要的固定電壓。POWER-Z USB測試儀上可以看到,設備與充電器通訊後從5V3A跳轉到了9V3A這個電壓檔進行充電。

我們再通過POWER-Z電腦端APP抓包看看,資訊埠欄目分別是兩個方向的傳輸,Source—>Sink、Source<—Sink。其中Source—>Sink是代表發射端向接收端發出的通訊,例如充電器對手機,Source<—Sink是接收端回饋資訊給發射端,例如手機對充電器,搞懂了方向那我們接下來就能看懂他們之間的通訊方式。

USB PD通訊流程我們以PD 2.0充電器作為舉例,線纜插上後供電端與設備並不是立刻開始充電,而是先打招呼,充電器進行廣播PDO電壓,充電器告訴手機,我支持5V2.4A / 9V3A / 15V3A / 20V2.25A四個固定電壓輸出。

手機接收到PDO廣播資訊後,先是回饋給充電器,告知需要5V2.4A這個電壓檔,充電器收到回饋後回復手機,電力已經調整至5V2.4A。之後手機充電器再互相通訊,手機請求調整輸出電壓至9V2A,充電器告知請求已經收到,正在調整至9V2A,這樣完成一個通訊階段。

2PD 3.0 PPS

PD3.0 PPS與PD2.0相比原理接近,多了PPS電壓子集。PPS電壓子集是一組以0.02V跨度為調整幅度的供電電壓集,可以精細地進行電壓微調,讓電荷泵快充、直充變成可能。

PD 3.0 PPS插入線纜後,充電器向手機發出一個資料包(PDO廣播),告訴手機我是一個充電器,擁有5V3A / 9V3A / 12V3A / 15V3A / 20V2.25A四個固定PDO與5-11V3A / 5-16V3A兩組PPS。手機接收到這個廣播後,對充電器回饋資訊,請求輸出5V3A電壓。充電器接受到電壓調整請求,並告知手機已經調整OK,手機回饋說已經做好充電準備,開始5V3A進行充電。

在充電的途中,手機發出資訊告知充電器,我需要調整電壓,請求將輸出電壓調整至8.66V3A,充電器接收到電壓調整請求,將輸出從5V3A調整至8.66V3A。之後手機每秒發送多次調整電壓指令,每次都告知充電器將電壓下調0.02V,充電器也如實進行調整。

在經過了五百多次的通訊進行電壓微調後,最終穩定在了7V3A這一個電壓進行充電,以達到充的快溫升低的目的,這就是PPS快充協定的通訊過程。

三、私有協議

1、全私有協議


某些廠家會對部分設備開發私有快充協定,在通訊過程中加密了資訊流,使用者想要獲得最佳充電體驗只能使用原廠配件。這種做法一來是因為目前的標準無法滿足廠家需求,例如USB PD上限只有20V5A 100W,二來可以建設私有配件生態圈,足夠的利潤支撐技術研發達到良性發展,這麼做無可厚非。

2、半私有協議


部分廠商則是採用半私有協議,例如三星45W AFC快充,基於PD3.0 PPS開發的快速充電協議進行微調修改,因為未進行加密,所以市面上部分協力廠商配件也可以通用,用戶選擇配件範圍較大。

四、USB-C介面統一對快充的好處?


多年前介面未統一時,存在Micro USB、Mini USB、異形排針、DC圓口等多種不同介面,就連供電電壓都存在差異,混沌的亂象阻礙著發展。USB-C好比燈泡卡座,淘汰其他介面大統一為USB-C介面標準,讓萬千設備均處以相同標準下運行,相同的物理介面,相同的通訊標準。生產商技術研發不再需要為各種標準而設計不同規格產品,快充技術得到飛速發展,用戶作為消費者也在享受USB-C大統一的便利。

USB-C是燈泡卡座的話,充電器就好比燈泡,基於USB-C標準而製造的充電器誕生出18W、30W、45W、65W、100W以及未來更大功率,使用者可以根據自己需求選擇不同功率的產品使用,無需擔心介面問題。

總結

這期充電雜談小編為大家介紹了部分快充協定的工作方式與原理,相信看完大家都會有所瞭解。對於手機、筆記本等設備來說,快充協定必不可少,沒有快充協議支撐的話充電功率會受限在非常低的功率,得益於USB-C統一標準讓快充全面普及,不管是入門機型還是旗艦產品都支援快充,不同消費層用戶都可以享受快充帶來的樂趣。

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