淺析USB PD3.0充電技術(shù)

雖然驍龍835、麒麟970、聯(lián)發(fā)科HeIi0 X30等新一代10nm旗艦級處理器會繼續(xù)打破當前手機處理器的性能記錄，但不可否認的是：對絕大多數(shù)消費者以及我們最常使用的APP來說，哪怕是驍龍625、HeIio P20級別的處理器就已經(jīng)極為優(yōu)秀了。在手機性能相對過剩的今天，源于待機續(xù)航方面的瓶頸已是重中之重。

如今智能手機的發(fā)展趨勢就是更加輕薄的機身，增加屏占比換取更為震撼的視覺沖擊力（圖1）。在這種設(shè)計思路下，手機體內(nèi)留給安置電池的空間也就變得越來越小，在電池技術(shù)（能量存儲密度）沒有太大的突破前，想塞進更大容量的電池，就只有犧牲厚度、重量和屏占比這些影響顏值的參數(shù)了。

由于Galaxy S8壓縮了上下邊框的寬度，并將指紋識別模塊移到了手機背面。所以它在增加屏幕面積的同時，體積和Galaxy S7相比并沒有太大的變化，保持電池容量不變自然是出于安全上的考量。

當然，通過優(yōu)化機身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也是有機會在保持“性感”設(shè)計的同時配備更大容量的電池。以三星Galaxy Note7為例，它和上一代Galaxy Note5同樣是5.7英寸屏幕，而且還采用了曲面屏幕和防水功能等“浪費空間”的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但它內(nèi)置的電池容量依舊從Note5的3000mAh提升到了3500mAh（圖2），從而獲得了更理想的續(xù)航表現(xiàn)。

然而，正是因為GalaxyNote7采用了激進的設(shè)計，導(dǎo)致更大容量的新電池超出了原先的保護能力（圖3），最終讓這款機皇因“爆炸門”事件而匆匆退市。由此可見，想讓智能手機保持苗條身材與更大電池兼顧的設(shè)計存在風險。受Note7的影響，未來更多的手機廠商也將在電池容量的取舍上做出讓步。還是以三星為例，即將上市的Galaxy S8雖然采用了更大的5.7英寸屏幕，但它的電池預(yù)計卻和5.1英寸的GalaxyS7相同都是3000mAh，由此不難說明問題。

在鋰電池技術(shù)沒有太大的革新之前，智能手機的電池注定保持在一個合理的容量上。在這種大環(huán)境下，增加手機充電功率，減少手機充電所需等待的時間，就是一種改善續(xù)航的“曲線救國”方案了（圖4）。類似“通電5分鐘，通話2小時”的廣告語，就是對快充技術(shù)的最完美詮釋。

然而，各個手機品牌在給旗下產(chǎn)品融入快充技術(shù)的同時卻出現(xiàn)了分歧。

以O(shè)PPO、華為和三星為代表的廠商，選擇了自主研發(fā)的快充方案。其中OPPO將其命名為“VOOC閃充”（一加手機3的DASH快充可視為VOOC的分支）；華為快充則衍生出了FCP、SuperCharge和Magic Power三個版本；而三星的快充則被稱為AFC。三者不同之處在于，三星旗下的絕大多數(shù)中高端機型可同時支持AFC和高通OC，而OPPO和華為的快充則僅為自家產(chǎn)品服務(wù)（圖5）。

相對于耗費精力的自主研發(fā)，更多的手機廠商選擇了直接和芯片方案提供商合作。比如搭載聯(lián)發(fā)科處理器的手機就支持PE/PEP，而搭載高通處理器的手機則兼容OC，這項技術(shù)屬于處理器的“打包附贈”，手機廠商只需在手機端和充電器端分別嵌入相關(guān)的充電識別IC芯片即可。

問題來了，各種快充技術(shù)之間存在兼容問題，其中OPPO VOOC更是需要重新定制的MicroUSB接口和數(shù)據(jù)線。家里的手機越多、品牌越雜，手機和充電器的（快充）匹配問題就顯得越是頭痛（圖6）。每一款手機都需要一個與其匹配的（快充）充電器，這無疑是一種資源上的浪費，造成電子垃圾污染。

小提示

USB PD3.0是通過PPS協(xié)議實現(xiàn)的對主流快充技術(shù)的收編，原本并未包括三AFC、展訊SFCP和AppIe的快充協(xié)議。但是，已有芯片廠在USBPD3.0的基礎(chǔ)上，推出了同時兼容AFC、SFCP和Apple的快充電源管理IC芯片，從而實現(xiàn)了快充方案全兼容的夢想。

對快充方案的混亂境遇，最先“看不下去”的就是谷歌。早在2016年11月，谷歌就在Android 7.0的OEM規(guī)范中明確指出：想用最新的Android 7.×系統(tǒng)？沒問題，但你必須選擇USB PD充電協(xié)議！這則消息剛一出現(xiàn)就在手機圈里引起了不小的風波，很多用戶紛紛表示“這讓其他快充方案怎么活？”

2個月后，推廣、制訂USB技術(shù)的非營利組織USB-IF就公布了最新的USB PD3.O技術(shù)，不僅符合谷歌想通過Android7.×普及USB PD充電協(xié)議的野心，同時也解決了困擾我們已久的與其他快充技術(shù)的通用性問題：USBPD3.0可全面兼容OC4.0/3.0/2.0、MTK PE2.0/3.0、FCP、VOOC等快充協(xié)議，基本實現(xiàn)快充江湖的“統(tǒng)一”（圖7）。最令人欣喜的是，USB PD3.0與我國工信部的泰爾實驗室達成了共識，預(yù)計將與國標實現(xiàn)統(tǒng)一！

簡單來說，USB PD充電協(xié)議最大的特色就是設(shè)定了1 OW、18W、36W、60W、100W五個檔次的充電功率標準（圖8），分別對應(yīng)5V/2A、12V/1.5A、12V/3A、20V/3A以及20V/5A的電流/電壓搭配，可滿足類似顯示器、筆記本等耗電量更高設(shè)備的供電（充電）需求，還能實現(xiàn)雙向充電功能，即兩臺電腦用USB線連接可以互相充電。

細心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，USB PD的供電標準比較“呆板”，10W、18W和36W之間的跨度太大。要知道，無論是高通OC3.0/OC4.0還是聯(lián)發(fā)科PE2.0/PE3.0都引入了浮動電壓微調(diào)的概念。比如，高通OC3.0能在3.6V～20V之間以200mV為單位進行上下調(diào)節(jié)（電流最大3A）；OC4.0進一步提升了功率，5A時可輸出最大電流為5.6A，9V時為3A，電壓檔繼續(xù)細分以20mV為一檔；聯(lián)發(fā)科PE3.0則能在3V～6V之間以10-20mV的步進進行調(diào)節(jié)（電流最大6A）。

面對OC3.0/OC3.0和PE3.0這種可調(diào)電壓獲得最大充電效率的能力（圖9），USB PD似乎有些不合時宜，又何談取代？

而USB PD3.0技術(shù)最大的改進，就是引入了一項名為PPS（Prog rammabIe Powe rSupply）的協(xié)議。PPS協(xié)議讓USB PD 3.0獲得了強大的可編程能力，輸出電壓范圍從5V擴展到3.0V～21V。同時，PPS可調(diào)整電壓幅度為20mV，可以實現(xiàn)低壓大電流直充。此外，PPS協(xié)議還規(guī)定，最少每10秒負載和適配器之間就要保持一次脈動溝通，這種脈動機制可有效避免充電過程失控。

未來，凡是出廠預(yù)裝And roid7.×系統(tǒng)的手機新品都會以USBPD3.0作為標準，在PPS協(xié)議的影響下，手機上的USB接口將不允許通過非USB PD的快充協(xié)議調(diào)整電壓。至于品牌手機原有的舊快充技術(shù)，只要不違背原則就能在PPS的基礎(chǔ)上保持向下兼容。此外，USBPD3.0的出現(xiàn)還有利于智能手機將Micro USB接口全面過渡到USBType-C，而且標配的數(shù)據(jù)線品質(zhì)也將出現(xiàn)極大的提升，用來承載超過3A的充電電流。

總之，今后無論你買的是OPPO、小米還是華為手機，通過支持USB PD3.0技術(shù)的充電器就都能對這些手機進行快速充電（圖10）。正所謂“無數(shù)手機，一個對策！”

在EU SB PD的實際應(yīng)用上，不同類型的設(shè)備可根據(jù)自身需求對電壓/電流進行定制，實現(xiàn)類似25W、30W的充電，功率。此外，智能手機等移動設(shè)備所用的USB Type-C接口屬于細小型連接器，所以它們的供電能力最多只能達到60W。在實際的應(yīng)用中，智能手機通常會將USB PD限定在更穩(wěn)定的18W上下。

不要小看手機充電“大一統(tǒng)”的意義。要知道，減少資源浪費、電子垃圾及保護環(huán)境免遭污染，是所有企業(yè)的社會責任。以往，手機廠商之間各自為戰(zhàn)，想使用快充技術(shù)就必須選擇匹配的充電器，既給用戶的選購和使用帶來了麻煩，又有悖于企業(yè)的社會責任。因此，USB PD3.0的出現(xiàn)和普及有著非常重要的正面意義，理應(yīng)受到我們的關(guān)注和期待。