充电器

充电器

概述

基础知识

术语:

  • source: 供电端。usb host (电脑), usb 充电器 或 充电宝。
  • sink: 取电端。(终端)设备。

简化模型下,供电端可以看作 5V 的恒压电源,有最大输出限制。如标称 5V1A 的充电器最大输出电流 1A。实际给设备供电时,电流由设备的负载(内阻)决定。现代设备的充电电路内阻都是可以动态调节以适应不同充电端的。如果输出设备的负载(内阻)过低,导致充电电流超过了充电器的最大输出电流,充电器会过载,根据充电器不同的电路设计可能会导致输出电压下降、过热、停止供电输出、短路甚至爆炸等结果。

在source - sink 模型中,sink端拥有主导权(主动发起协议检测等)。充电电流完全由 sink 端决定。充电电压是由 source 端决定,但所有 source 端默认输出电压都是 5V (标准规定<=5.25V),sink 端可以通过(各种公开或私有的充电)协议向 source 端请求切换到更高的电压。

标准 USB 充电协议

USB BC 1.2 (dcp)

  • SDP : 5V 0.5A (usb 2.0) / 5V0.9A (usb3.0) (标准usb设备,电脑的usb 端口)
  • CDP : 5V 1.5A (电脑上的增强供电 usb 端口)
  • DCP : 5V 1.5A (usb 充电器/ 充电宝端口)

注:以上的电流值是协议规定的这种模式下的最大电流。sink 端需要自己保证取电时不超过这个电流值。

现代几乎所有 usb 充电器 / 充电宝都(保底兼容)支持 DCP 协议。

所有现代 usb 终端设备都应该支持 usb bc 1.2 规范。

DCP / CDP / SDP 检测方式是由 sink 端给 usb d+ 端口加上 0.6V 电压, 然后检测 D- 端口是否也有 0.6V 电压。如果有则表明source 是 DCP,如果没有,sink端再在D+上设置逻辑高电位,然后检测D-以判断source是 SDP 还是 CDP。专门的 usb 充电器都是 DCP,所以电路设计最简单的方式是将 D+ 和 D- 直接短接(即之间电阻为0)。但现代充电器为了支持多种充电协议会在 D+ 和 D- 之间装一个芯片动态调节D+ 和/或 D- 电压。

USB-A / Micro usb / mini usb 等接口做多承载 2A 电流。

USB-C 接口标准要求最低保证能够承载 3A 电流。(最大支持 5A)

PD 充电 (USB Power Delivery)

PD1.0, PD2.0, PD3.0, 后者向前兼容。PD 协议向下兼容 usb bc 1.2。

  • PD 1.0 : 最初协议,实际应用商业产品很少。
  • PD 2.0 : 增加了对 usb type-c 接口的支持。与 usb 3.1 规范一起同时发布。开始出现各种商业应用产品。
  • PD 3.0 : 增加了 PPS (动态功率协议)功能。

注意 PD2.0+ 只有 5V/9V/15V/20V 档,取消了 12V 档。

PD (2.0+) 充电功率:

  • <= 45W PD : 最大 15V3A, 9V3A, 5V3A。
  • 65W PD : 20V3.25A。
  • 100W PD: 20V5A。

PD 充电协议必须使用 C2C (双头C口)线,使用了 C 口的 cc 端子专门用来协商充电协议数据。source 端会向 sink 端通报自己支持的各输出档位电压和电流,由 sink 端自己选择充电档位。

>3A 电流充电需要含有 emark 芯片的 C2C 线。所以没有 emark 芯片的 C2C 线最大只能做到 20V3A 60W 充电。

小米魔改的充电器配合专用数据线可以实现 A2C 的 PD 充电。(详见下文)

PD 协议与电荷泵

目前最新的pd协议只能给用电荷泵的手机最高提供27w的功率。

PD固定电压的档位支持5a (通过emark线),但动态调压的子协议pps不支持5a。电荷泵的降压比的1/2固定值,所以充电器电压必须为电池电压的2倍,且必须是动态电压。锂电池的电压是3.2v-4.4v,两倍就是6.4v-8.8v。pd协议中的可提供动态电压的子协议叫做pps,时至今日,pps标准中,最大电流是3a,3a乘以8.8约等于27w。

手机充电技术概述

手机快速充电技术大致有两种:一种是高压低电流,一种是低压大电流。因为想要提高充电速度,只有提高充电的功率。根据物理公式功率(W)=电压(V)x电流(A),提升功率要不就提升电压,要不就提升电流。

高压快充:需要内部电路进行二次降压,会产生一定的发热情况,所以在设计上需要考虑这个方面的问题;但是由于电流较低,对充电线要求不高。典型代表:高通的QC快充。

低压快充:无需进行机身二次降压,散热表现会更好一些,但是由于电流会比较大,对充电线要求较高。典型代表:OPPO VOOC闪充、华为SCP(22.5W)等。

现在还有一种更新的快充技术叫做电荷泵技术,特征是高电压+大电流。手机端有独立负责快充功能的MCU控制器,实时检测并控制充电状态,并与充电器进行通信,按需调整充电器的输出功率,提高了转化效率,不过同样在设计上以及线材上有更很高的要求,成本比较高。典型代表OPPO SuperVOOC、vivo Super FlashCharge、华为SCP(40W)等。

PD 3.0 + PPS 充电协议大一统融合了以上3种充电方案,是未来的主流充电技术演化方向。

私有充电协议

除了 MTK, Oppo 等少数几家,其他几乎所有私有充电协议通讯协商方式都是通过 充电器 / 手机端 设置 / 检测 D+ 和 D- 上的私有电压值。(快充技术的原理:通过USB端口的D+与D-的不同电压给合,来向充电器申请相应的输出电压供手机充电。)

以下所有标称的各充电功率都是理论峰值功率。不能全面反应实际使用感受。比如实测红米 K30 的小米 30W 充电速度把华为的所谓40W充电秒成了渣。

Apple

5V1.0A, 5V2.1A, 5V2.4A. (后者向前兼容)。协议协商方式是充电器端设置 D+ 和 D- 线上的(私有)电压值。

  • 5V1A: D+: 2V, D-:2.7V (所有 iDevice 设备)
  • 5V2.1A: D+: 2.7V, D-:2V (iphone 6+; ipad 全系列)
  • 5V2.4A: D+: 2.7V, D-:2.7V (iphone 7+; ipad 开始支持型号未知)

至少从 iphone 7+ 支持 usb dcp (但好像充电电流只有5V1A)。某些更早(具体未知)的 iphone / ipad 似乎连 usb dcp 也不支持,如果充电器不支持 apple 私有充电协议,则只会以 5V0.5A 龟速充电?

iphone 8+, 以及部分 ipad (iPad Mini 5, ipad air 3+, iPad Pro 全系列) 支持 PD 充电(苹果称 " 极速充电"),最大 PD 充电功率 20-30W 不等(但仅支持 USB PD <=15V 的电压档)。除了C口的 iDevice (目前仅有 iPad Pro 2018 和 iPad Pro 2020 是C口),其他 iphone / ipad 都需要 MFI 认证的 c2l 线才能触发 PD 充电。

三星 5V2A

旧三星手机的充电协议。5V2A 10W 充电,协议检测方式也是通过 D+ 和 D- 线上的(私有)电压值。

d+: 1.2V, d-: 1.2V

三星 AFC

Adaptive Fast Charge

9V, 12V/2.1A 等。协议类似 QC 2.0。(有人认为就是 QC 2.0 协议的马甲)

从 Galaxy Note4 开始,三星快充充电器除了支持自家协议外,也同时兼容 QC 2.0;但到了 Galaxy S9,三星又取消了 QC2.0 兼容,仅支持自家快充协议。

S9 及更旧机型采用的 EP-TA200 充电器:9.0V1.6A 15W /5V2A

EP-TA300 无线充电底座充电器:12V2.1A 25W

从 2019年的 S10 开始,三星放弃了 AFC,转而采用标准的 PD 3.0 + PPS 充电协议。新的 EP-TA800 充电器兼容 PD3.0,支持 25W(9V/2.77A) PPS 快充,且为 Type-C 接口输出。

高通 QC

Quick Charge

QC1.0: 5V2A 10W。

QC2.0:5V3A, 9V2A, 12V1.5A (最大均为18W), 协议检测方式也是 D+ 和 D- 线上的(私有)电压值。

QC2.0并不是简单的D+与D-的组合就可以让充电器输出所需的电压,而是还有一些协议在里面,需要先发送握手信号,比如1.5s的握手电压组合,才能进行下一步的输出,否则,直接将D+与D-电平设置好是不会改变充电器的输出电压的,这也是为了更好的保护非QC2.0技术的手机,不会因为误触发了充电器的升压机制而烧毁手机。

高通QC2.0 握手协议:

快充的充电器与手机通过micro USB接口中间两线(D+D-)上加载电压来进行通讯,调节QC2.0的输出电压。

握手过程如下:当将充电器端通过数据线连到手机上时,充电器默认通过 MOS让D+D-短接,手机端探测到充电器类型为DCP(专用充电端口模式)。此时输出电压为5v,手机正常充电。 若手机支持QC2.0快速充电协议,则Android用户空间的HVDCP进程将会启动,开始在D+上加载0.325V的电压。当这个电压维持1.5s 后,充电器将断开D+和D-的短接, D-上的电压将会下降;手机端检测到D-上的电压下降后,HVDCP获取手机预设的充电器电压值,比如 9V,则设置D+上的电压为3.3V,D-上 的电压为0.6V,充电器输出9v电压。

QC 协议的充电器端通过检测 USB D-和 D+的电压来识别协议类型:

  • D+和 D-都为 0.6V 时为 12V 模式
  • D+为3.3V D-为 0.6V 时为 9V 模式
  • D+为 0.6V D-为高阻时输出 5V
  • D+为 0.6V D-为 3.3V 为连续模式,可实现最大电压和最小电压之间的连续可调

QC 3.0 规格不变,仍然最大18W,升级点是加入更智能的电压档位。

QC 4.0+ 最高输出功率提升到了28W,兼容 PD,取消了 12V 档。

QC 5.0:最大100W+。兼容 USB-PD PPS。

QC 系列协议保持向下兼容。

小米

小米ChargeTurbo:基于PD快充协议魔改而来的私有快充协议。通过定制的A2C线和A口充电器实现基于USB-A to Type-C的高功率快充(50W(10V5A)、40W(10V4A)、30W( 10V3A)等等)。

例如:红米 K30 系列标配充电器:私有协议A口充电器 + A2C 充电线。充电器和a2c线是魔改的(充电器和充电线上的A口有额外的cc触点),兼容PD协议。

  • K30 4G: 9V3A 27W
  • K30 5G: 10V3A 30W
  • K30 Pro: 11V3A 33W

K30 系列的原装充电器 + 充电线兼容 9V3A 27W 的 PD 3.0 (with PPS)充电协议;兼容 QC 3.0 9V3A。

华为 FCP / SCP

  • HUAWEI FCP(Fast Charger Protocol): 9V2A 18W
  • HUAWEI SCP(Smart/Super Charge Protocol):
    • 5V4.5A或4.5V/5A 22.5W (SCP 1.0)
    • 10V4A 40W (SCP 2.0)
    • 20V/2.75A 55W : 华为Mate X等手机使用

华为快充网上资料不全。FCP 协议似乎与 QC 2.0 类似:BC1.2检测结束后手机在D+上加载0.6V电压,适配器进入HVDCP(与QC相同)之后,手机在D-上发送数字信号。

似乎需要专门的华为充电线。

华为 SCP 2.0 的 40W 快充好像只有原装 A 口充电器支持。

OPPO

  • VOOC: 低压高电流
    • VOOC 1.0-3.0: 5V4A 20W。3个版本间虽然规格不变,但是均提升充电效率
    • VOOC 4.0: 5V6A 30W。OPPO Find系列。
  • SuperVOOC (SuperDart ):
    • SuperVOOC 1.0: 10V5A 50W
    • SuperVOOC 2.0: 10V6.5A 65W

定制充电器和充电线(增加了额外触点),与其他所有快充方案(包括 usb pd)都不兼容,无感。

VOOC 协议应该是向下兼容。比如 VOOC 4.0 的手机用 VOOC 3.0 的充电头和线可以 20W 充电。

一加 / Realme

应该类似 Oppo。

  • Realme Q2:5V6A 30W。应该是 VOOC4.0。兼容 PD 5V3A 15W 充电。
  • Realme Q2 Pro: 10V6.5A 65W。

VIVO

  • 双引擎闪充:9V2A 18W,采用的是高压低电流方案,兼容高通的QC2.0协议。首款搭载该技术的是vivo Y35手机
  • vivo FlashCharge 1.0: 10V2.25A 22.5W。vivo X27系列。
  • vivo FlashCharge 2.0: 10V3A 30W。vivo S5。
  • vivo Super FlashCharge: 11V4A 44W。使用了电荷泵技术。首款搭载的手机是iQOO Monster。

MTK PE (PumpExpress)

通过 VBUS 的电流脉冲信号来协商。

最新版为 PE 4.0,逐渐向 USB PD 标准靠拢。支持 USB-C 线缆,电流最高为 5A,最大功率可以达到30W+。


Last update: 2021-09-26 02:06:30 UTC