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快充 ”多””亂”

本文作者：徐俊毅點(diǎn)擊： 2021-06-29 19:33

前言：

我們身邊的移動(dòng)設(shè)備越來越多，大家或多或少地都會(huì)碰到過關(guān)鍵時(shí)刻設(shè)備沒電的問題，比如，早上起來趕飛機(jī)，發(fā)現(xiàn)手機(jī)忘記充電，用平板給客戶演示的時(shí)候突然關(guān)機(jī)，接打重要電話突然中斷，這時(shí)候快速充電的愿望會(huì)變得格外強(qiáng)烈。在科技人員的努力下，快速充電的需求正在變成現(xiàn)實(shí)，我們身邊能夠快速充電的設(shè)備越來越多，充電速度的記錄不斷被刷新。但同時(shí)，各種快速充電的技術(shù)也讓人眼花繚亂，而且這些技術(shù)之間有些還互不兼容，這也為消費(fèi)者和制造商帶來了困擾。

五花八門的快充協(xié)議

1、USB PD快充協(xié)議

“USB Power Delivery”功率傳輸協(xié)議，縮寫為USB PD，由USB官方推廣小組USB-IF發(fā)布，是目前最為通用的快充協(xié)議。

在USB PD之前，曾經(jīng)有一個(gè)USB BC 1.2規(guī)范，用于定制超過4.5W的功率傳遞，其原理是使用USB接口 4跟線中的2根數(shù)據(jù)傳輸線，Data+與Data-,改變這兩根線參考電壓值，來進(jìn)行不同功率傳輸?shù)呐袆e，很多手機(jī)廠商都由此定制了自己的快充標(biāo)準(zhǔn)，比如高通最初的快充協(xié)議QC就是這么來的。而且廠商們還做到了互不兼容，如同樣是5V充電器，早期的三星充電器就不能為蘋果設(shè)備充電。直到Type-C接口的出現(xiàn)，USB-IF規(guī)定統(tǒng)一采用CC端口進(jìn)行充電協(xié)議的識(shí)別。

USB PD可以為諸多設(shè)備輸送電力圖片來源：usb.org網(wǎng)站

USB3.0及Type-C界面規(guī)范相繼問世后，2012 年7月，USB-IF 推出了 USB PD 1.0 規(guī)范，中間經(jīng)過數(shù)次修改，到 2015 年初，USB PD 規(guī)范已升級(jí)到 2.0 版，最大傳輸功率已經(jīng)達(dá)到了100瓦。同年年底，USB PD 3.0規(guī)范出臺(tái)，此后兩年時(shí)間，USB-IF一直在期待USB PD市場(chǎng)的成熟，但是實(shí)際上手機(jī)廠商們并不太感興趣，而是各自發(fā)布自己的快充協(xié)議。如高通的QC，聯(lián)發(fā)科的PE，OPPO的VOOC、華為的SuperCharge等等。

USB PD 一開始就瞄準(zhǔn)了100W供電的目標(biāo) 圖片來源：usb.org網(wǎng)站

為改變USB PD推廣的不利局面，2017年2月，USB-IF發(fā)布了USB PD 3.0的重要更新，不僅擴(kuò)展了輸入電壓類型(提供了5V/9V/15V/20V)，還首次將PPS(Programmable Power Supply)可程序設(shè)計(jì)電源納入其中，這使得USB PD 3.0的輸入功率變得更為靈活，特別是在輸入電壓方面，可以支持以200 mV為單位的精細(xì)調(diào)節(jié)。為保證安全，PPS協(xié)議規(guī)定，不得晚于10秒，負(fù)載和適配器之間要保持一次通信，避免充電過程失控。

一向特例獨(dú)行的蘋果，在快充問題上沒有另辟蹊徑，直接采用USB PD作為快充協(xié)議。蘋果直到2017年的iphone 8系列之后才出手，蘋果的筆電MacBook Pro 16 充電功率達(dá)96W，同樣支持了PD快充。出手最晚，但做得徹底，這與Google還在辛苦“勸說”，Android設(shè)備要支持USB PD 快充協(xié)議形成反差。

借助PPS ，USB PD可將現(xiàn)有的諸多私有協(xié)議收入囊中。圖片來源：usb.org網(wǎng)站

2021年，5月26日，USB-IF下屬的推廣小組（USB Promoter Group）發(fā)布了USB PD 3.1規(guī)范，將USB PD的傳輸功率提升到了240W。除了此前的5V、9V、12V、20V這四種固定電壓，規(guī)范新增了100W以上功率情境的三種固定電壓，28V、36V和48V，最大電流仍然保持在5A，并向下兼容USB PD 3.0、2.0還有1.0規(guī)范。

USB規(guī)格	最大承載功率	電壓范圍	最大電流
USB 2.0	2.5 W	5 V	500 mA
USB 3.1	4.5 W	5 V	900 mA
USB BC 1.2	7.5 W	5 V	1.5 A
USB Type-C 1.2	15 W	5 V	3 A
USB PD 3.0	100 W	5/9/15/20 V	5 A
USB PD 3.1	240 W	5/9/15/20 V( <= 100W功率情境) 28/36/48 V ( > 100W功率情境)	5A

表:USB功率傳輸演進(jìn) 數(shù)據(jù)源:筆者整理

一起升級(jí)的還有PPS可程序設(shè)計(jì)電源部分，新的可調(diào)電壓模式，電壓范圍從15V到三個(gè)最大電壓之一（28V、36V或48V），要求特定電壓達(dá)到100 mV分辨率。

240W的傳輸功率說明，這一次USB PD想要的不僅僅是移動(dòng)設(shè)備的市場(chǎng)。

2、高通Quick Charge，以下簡(jiǎn)稱QC快充協(xié)議

憑借在手機(jī)處理器市場(chǎng)的強(qiáng)大地位。高通QC快充協(xié)議一直處于穩(wěn)步發(fā)展，也是受第三方充電設(shè)備廣泛支持的快充協(xié)議之一。早在2013年，高通就推出了QC1.0規(guī)格，傳輸接口為Micro USB，那時(shí)候只是做到了5V/2A，最大傳輸功率為10W，略高于USB BC 1.2版本的7.5W。在隨后的QC 2.0和QC3.0版本中，高通將最大功率提升至了36W，提供了5V/9V和12V的固定電壓選擇，最大電流為3A，接口形式也增加了Type-C。

真正的改變是QC4.0版本，不僅將最大傳輸功率提升至100瓦，電壓范圍從3.6V擴(kuò)展至20V，并且通過了USB PD的認(rèn)證，這使得QC4.0版本開始的充電設(shè)備，不僅可以為Android世界供電，還可以為蘋果設(shè)備充電。

2020年7月，高通發(fā)布了QC5充電規(guī)格。

QC5的充電速度10倍于QC 1版本圖片來源：高通網(wǎng)站

相比QC4宣傳的15分鐘充電50%，這次的QC5的充電速度更加驚人，從0到50%只需5分鐘，從0到100%也僅需15分鐘。15分鐘充滿，這可能滿足了絕大多數(shù)場(chǎng)景的快速充電需求。

高通最新的QC 5快速充電技術(shù) 圖片來源：高通網(wǎng)站

能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電的一個(gè)重要原因是，這一次QC5支持了雙路電池，這樣在雙路電池并行充電的情境下，即便未作任何改動(dòng)，充電速度本身就提升了一倍。此外，QC5采用更高效率的電荷泵（Charge Pump）SMB1396和新一代PMIC（電源管理IC），將電源轉(zhuǎn)換效率提升到97%，在提升充電速度的同時(shí)，使得充電系統(tǒng)發(fā)熱大幅度降低，官方宣傳數(shù)據(jù)說相比前代可以降低10攝氏度之多。

3、MTK Pump Express快充協(xié)議，簡(jiǎn)稱PE

另一大手機(jī)處理器供貨商聯(lián)發(fā)科，也有推出了自有的快充協(xié)議。

表:MTK Pump Express快充協(xié)議數(shù)據(jù)源: 聯(lián)發(fā)科網(wǎng)站

出于安全性的考慮，在傳輸功率方面，MTK的PE規(guī)范一直在60W附近。PE協(xié)議透過手機(jī)中的PMIC芯片，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)實(shí)際充電電壓，并未追求極限充電速度，20分鐘充滿70%是3.0版本的宣傳目標(biāo)。同時(shí)MTK還強(qiáng)調(diào)真?zhèn)€電源系統(tǒng)的效率以及線纜的安全性。最新發(fā)布的PE 4.0 規(guī)范最大充電電流提升到了5A，保持了與USB PD規(guī)范的部分同步，充電速度變化不大，官方宣稱充滿75%需要30分鐘，Helio P60 SoC是PE 4.0搭載的主要平臺(tái)。

聯(lián)發(fā)科 Pump Express Wireless應(yīng)用場(chǎng)景圖片來源：聯(lián)發(fā)科網(wǎng)站

值得一提的是，MTK還有一個(gè)Pump Express Wireless技術(shù)規(guī)范，能夠提供Qi 標(biāo)準(zhǔn)的低功率（5W）和中功率（高達(dá)15W）無線充電。

4、三星：最后還是選擇了USB PD

三星長(zhǎng)期保持著全球手機(jī)出貨量第一的優(yōu)勢(shì)，很早就研發(fā)了自己的快充協(xié)議AFC（Adaptive Fast Charge），鑒于其Android手機(jī)霸主的地位，自然也與高通有著密切的聯(lián)系，因此在其Galaxy Note4系列上就開始兼容了高通QC2快充協(xié)議。

但是Galaxy Note7系列手機(jī)（這個(gè)型號(hào)的手機(jī)至今仍在各大航空公司的黑名單上）的電池爆炸事件，讓三星對(duì)快充問題變得極其保守。很快，在Galaxy 9系列手機(jī)中，三星取消了對(duì)QC快充協(xié)議的支持，自家的AFC協(xié)議，一直徘徊在9V輸入電壓，15W傳輸功率這個(gè)等級(jí)。到2019年的5G機(jī)型Galaxy S10發(fā)布時(shí)，新產(chǎn)品連自家的AFC協(xié)議也干脆不支持了，直接宣布使用USB PD PPS規(guī)格快充。

圖:三星最新的充電器 EP-TA220NBCGCN 圖片來源：三星電子網(wǎng)站

時(shí)至今日，三星很多新款手機(jī)的充電功率被限制在25W，官網(wǎng)提供的最新充電器，也只有采用USB PD PPS規(guī)范的35W充電器，這大概就是“十年怕井繩”吧。

5、華為：FCP & SCP

華為先后發(fā)布了兩個(gè)快充協(xié)議，分別是FCP（Fast Charger Protocol）和SCP （Super Charge Protocol），從名字上就能看出先后順序。2015年華為Mate8手機(jī)就開始搭載FCP快充協(xié)議，規(guī)格為9V/2A，傳輸功率為18W，與QC2規(guī)范一致，二者并不相容。2016年，華為發(fā)布了Mate 9新機(jī)，將快充協(xié)議升級(jí)到了SCP。傳輸功率達(dá)到了22.5W，4.5V/5A，這種低壓方案的好處是在手機(jī)的電源管理部分節(jié)約了DC/DC的成本，缺點(diǎn)是消費(fèi)者需要另配一根價(jià)值不菲的充電線，因?yàn)榫€纜要承受超過3A的電流，需要更高的制造成本。

到2018年Mate20 Pro型號(hào)的機(jī)型，SCP已經(jīng)提升到10V/4A，40W傳輸功率。2020年，Mate 40 Pro發(fā)布，華為再次提升了SCP的規(guī)格，將輸出功率提升至66W，依然采用了非標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓11V/6A。

華為66w SuperCharge多協(xié)議超級(jí)快充移動(dòng)電源圖片來源：huawei.com

考慮到市場(chǎng)因素，華為的充電器產(chǎn)品也并非完全采用獨(dú)家的快充協(xié)議，QC和USB PD也在支持范圍。

6、OPPO：Super VOOC

“充電五分鐘，開黑兩小時(shí)”，這是OPPO快充最成功的廣告。與很多手機(jī)廠商一樣，OPPO很早就不滿足傳統(tǒng)的USB接口充電速度，在2014年推出了VOOC 1.0版本，一開始就直接將傳輸功率提升至5V/4.5A 22.5W。到VOOC 4.0版本，OPPO將電流提升到了6A，超過了USB PD的5A限制，消費(fèi)者需要使用專用線材。

到2018年，OPPO發(fā)布了Super VOOC 1.0超級(jí)閃充，提供了10V/5A，50W傳輸功率，并將GaN材料引入充電器材。2019年，Super VOOC 2.0，提升至10V/6.5A，傳輸功率達(dá)到65W。到2020年，OPPO提出了125W超級(jí)閃充技術(shù)和65W 無線充電技術(shù)。

OPPO的125W超級(jí)閃充和65W無線充電圖片來源：OPPO網(wǎng)站

根據(jù)OPPO官方新聞，125W 超級(jí)閃充在手機(jī)溫度 ≤40℃ 的前提下，實(shí)現(xiàn)了 20 分鐘充滿等效 4000mAh 電池能量的手機(jī)，采用并聯(lián)三電荷泵，多極耳雙 6C 電芯，配合十顆新增溫度傳感器的嚴(yán)苛溫控，保障高速充電安全不燙手。

在輸入端，125W 超級(jí)閃充采用轉(zhuǎn)換效率高 98% 的并聯(lián)三電荷泵方案，適配器輸出的 20V 6.25A 經(jīng)過三電荷泵降壓轉(zhuǎn)換成 10V 12.5A 進(jìn)入電池，每個(gè)電荷泵只需轉(zhuǎn)換 20V 2.1A 大約 42W 左右的功率，有效地避免了大電流造成的電荷泵超載、過熱。在電池端采用了6C 電芯，極耳中置（MMT）升級(jí)為多極耳（MTW）技術(shù)，將電荷的運(yùn)動(dòng)路徑成倍的縮短，電芯阻抗進(jìn)一步降低，允許輸入高達(dá) 12.5A 的大電流。

目前，已經(jīng)有超過30款機(jī)型搭載了Super VOOC技術(shù)，其中大部分是采用了Super VOOC 2.0版的65W快充。

7、VIVO：Super Flash Charge

VIVO和OPPO兩家公司千絲萬縷的聯(lián)系也體現(xiàn)在快充技術(shù)上，他們的快充協(xié)議差別很小。

早期的Flash Charge充電協(xié)議也是22.5W，5V/4.5A，到2.0版達(dá)到33W。2020年發(fā)布了Super Flash Charge協(xié)議，將規(guī)格提升至11V/4A，功率提升到44W，這與OPPO同期的50W快充基本一致。

2020年，在新機(jī)型 iQOO 5 Pro 上展示了120W 閃充技術(shù)。圖片來源：VIVO網(wǎng)站

8、小米：Super Charge Turbo

小米的快充協(xié)議基本上是在USB PD PPS基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，推出了自己的Super Charge Turbo技術(shù)，目前已經(jīng)擁有120W、67W、55W、33W等快充功率檔位。在100W快充這個(gè)級(jí)別上，也附帶了無線充電的版本，根據(jù)小米公司提供的資料，他們最新的Super Charge Turbo技術(shù)可以在17分鐘內(nèi)將4000mAh的電池充滿。

小米120W充電器型號(hào)MDY-12-ED 圖片來源：mi.com

小米最新發(fā)布的的120W充電器，提供5V/3A，9V/3A，11V/6A以及20V/6A，四種傳輸規(guī)格，與USB PD官方公布的規(guī)格不太一樣，但除了11V/6A這個(gè)規(guī)格，其他幾項(xiàng)均與USB PD兼容，只是同等級(jí)功率的手機(jī)目前還沒有任何消息。

E-Marker標(biāo)識(shí)給充電線加“智”

E-mark，全稱為：Electronically Marked Cable: 封裝有 E-Marker 芯片的 USB Type-C 有源電纜，USB PD 協(xié)議透過DFP 和 UFP可以讀取該電纜的屬性：電源傳輸能力，數(shù)據(jù)傳輸能力，ID 等信息，所有全功能的 Type-C 電纜都應(yīng)該封裝有 E-Marker，USB-IF規(guī)定，所有承載 3A 以上電流的Type-C線纜要求必須帶有 E-mark 芯片。

帶有E-Marker芯片的Type-C線纜，圖片來源：gosh.co.th

在充電功率60W一下的使用情境下，基本上不需要使用到帶有E-marker標(biāo)識(shí)的線纜，但是現(xiàn)在隨著高功率快充技術(shù)開始普及，E-Marker芯片的線纜就會(huì)成為很多消費(fèi)者的必需品了。E-marker芯片本身并非功率傳輸器件，他主要的功能是記錄控制線纜的傳輸能力，以便在進(jìn)行快充或者高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)與充電和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備配合，最大程度發(fā)揮線纜的效率。

來自的E-Marker芯片圖片來源：Richtek網(wǎng)站

立锜(Richtek)科技的RT1731A 是支持 USB-C 型接口和 PD 應(yīng)用的電纜標(biāo)簽 IC，具備 USB4 電纜的支持能力，可通過 SOP' 通訊進(jìn)行 USB PD 應(yīng)用需要的結(jié)構(gòu)化 VDM 身份識(shí)別，DFP 主機(jī)可通過它了解電纜特性如電流承載能力、性能、供貨商等信息。其 VCONN、CCIN具備 VBUS 短路保護(hù)能力，可防范高達(dá) 20V 以上的應(yīng)用中出現(xiàn)短路時(shí)可能帶來的傷害。

Cypress的EZ-PD端口控制器CCG2 圖片來源：cypress.com

也有廠商將更多功能集中在E-Marker芯片上，比如Cypress的EZ-PD™CCG2埠控制器，這個(gè)芯片不僅向電源報(bào)告線纜特性（如額定電流、線纜長(zhǎng)度）等等，為被動(dòng)電子標(biāo)記電纜組件（EMCA）電纜、主動(dòng) EMCA 電纜、USB 型 C 筆記本電腦、電源適配器、監(jiān)視器、碼頭和電纜適配器（加密狗）提供了解決方案，同時(shí)EZ-PD™CCG2通過集成 C 型收發(fā)器、終止電阻和系統(tǒng)級(jí) ESD 來降低 BOM。

具有智慧的Type-C線纜，安全和效率將是這類線纜的最大賣點(diǎn)，也是大功率快充的必需品。

改了快充的電荷泵技術(shù)

首先需要明確的事情是，不管快充協(xié)議規(guī)定了多少種電壓，5V到最新的48V，最終加載到電池的電壓一定是4.2V（這里特指移動(dòng)設(shè)備中的鋰電池）附近，這是鋰電池的特性決定的。之所以有那么多種電壓規(guī)格，主要還是為了傳遞更大的功率。直流電傳輸功率等電壓與電流的乘積，為了降低傳輸電流，就只好提升電壓，優(yōu)點(diǎn)是充電線就不必要求特別苛刻了，這點(diǎn)可以參見前文的E-marker芯片的強(qiáng)制規(guī)定。但是高壓不能直接輸送到電池兩端，因此需要經(jīng)過降壓處理。

傳統(tǒng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的發(fā)熱情況（轉(zhuǎn)換效率小于90%），電荷泵的出現(xiàn)解決了這個(gè)問題。

電荷泵是一種無電感式DC-DC轉(zhuǎn)換器，利用電容作為儲(chǔ)能組件來進(jìn)行電壓電流的變換。因不需要兩次磁電轉(zhuǎn)換，電荷泵的能量效率非常，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97%，可以很好地解決高壓轉(zhuǎn)換時(shí)的發(fā)熱問題。

目前已知在手機(jī)端使用的電荷泵產(chǎn)品，有TI的BQ2597x系列，NXP的PCA9468，高通自家的SMB139x系列，Dialog的DA9313，還有NXP、Cypress、Diodes等公司，這些公司都拿到了高通QC4+的授權(quán)，臺(tái)灣廠商芯籟、通嘉、昂寶等公司也在其中。

高通SMB1396電荷泵圖片來源：qualcomm.com

在高通公布的QC5展示中，我們看到了兩顆SMB1396電荷泵，分別為兩顆電池輸送電力。而OPPO在125W的超級(jí)閃充技術(shù)中，在手機(jī)端使用了并聯(lián)三電荷泵的方式，進(jìn)一步提升電流并降低發(fā)熱。

有了電荷泵以及多電芯的技術(shù)方向，手機(jī)的充電速度才能進(jìn)一步加快，兩顆電池不夠快，可不可以拆成3顆，4顆？要只要電池能夠承受足夠大的電流，并且控制好發(fā)熱的狀況，在移動(dòng)設(shè)備上，超過60W的充電功率輸送就會(huì)快速普及開。

小結(jié)：快充正在向USB PD方向集中

古早充電器設(shè)備圖片來源：安森美半導(dǎo)體網(wǎng)站

不知大家是否記得十幾年前，智慧手機(jī)剛剛面世時(shí)的情況，幾乎每一種設(shè)備就會(huì)有一個(gè)專用的充電器和充電線。這導(dǎo)致相關(guān)產(chǎn)品電子垃圾的數(shù)量激增，很多國(guó)家和政府無法忍受這一情況。陸續(xù)出臺(tái)各種法規(guī)，強(qiáng)制要求統(tǒng)一線纜和充電器設(shè)備，情況才逐漸改觀。在各種法令以及智慧手機(jī)市場(chǎng)的引導(dǎo)下，大部分充電線都變成了Micro USB或者M(jìn)ini USB接口，而充電器也統(tǒng)一變成了5V輸出電壓，輸出電流在1A左右。

但是這幾年快速充電技術(shù)的發(fā)展，讓情況又有了變化，由于很多制造商采用了私有的快速充電協(xié)議，大家的充電電壓、電流都不相同，因此人們家中充電器數(shù)量又開始增加。第三方電源適配器的制造商業(yè)也會(huì)感到困惑，雖然有協(xié)議芯片可以識(shí)別大部分的快充協(xié)議，但也會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度和產(chǎn)品成本，何況還會(huì)有新的快充技術(shù)需要跟進(jìn)。使用者萬一買到的電源與自己的設(shè)備不匹配，還影響消費(fèi)體驗(yàn)。

所幸的是USB-IF為USB PD及時(shí)打上了補(bǔ)丁增加了PPS（可程序設(shè)計(jì)電源），并聯(lián)合Google進(jìn)行強(qiáng)推，要求配有Type-C接口，Android 7.0版本以上手機(jī)必須支持USB PD快充。

在可程序設(shè)計(jì)電源的模式下，USB PD理論上可以在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)出任何所需的電壓，不管是10V還是11V，都可以實(shí)現(xiàn)輸出，這樣就會(huì)有很多私有快充協(xié)議被“收編”。像蘋果和三星這樣的大廠，主動(dòng)選擇加入了USB PD陣營(yíng)，一些私有快充協(xié)議的公司加入了對(duì)USB PD的支持，但在高端應(yīng)用了保留了自己的規(guī)格，為客戶帶去更好的使用者體驗(yàn)，者也算是一種雙贏的策略。

得益于市面上主流的智慧設(shè)備對(duì)USB PD 協(xié)議的兼容，iPhone、MacBook、x86筆電等等，還有市面上大部分采用 Type-C 接口的 Android 設(shè)備乃至一些游戲設(shè)備陸續(xù)都能用USB PD協(xié)議進(jìn)行快充，這應(yīng)該是一個(gè)美好未來的開端。

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