統(tǒng)一充電江湖

2021-08-09 23:58

電腦愛(ài)好者 2021年15期

USB PD充電協(xié)議的發(fā)展簡(jiǎn)史

作為歷史上通用性和兼容性最佳的接口，USB在誕生之初就提供了供電（即給其他數(shù)碼產(chǎn)品充電）的功能。只是，USB默認(rèn)的供電能力非常差，USB1.x和USB2.0僅支持5V/0.5A（2.5W），USB3.0也不過(guò)5V/0.9A（4.5W），早些年很多用戶都嘗試過(guò)用PC給手機(jī)充電（圖1），但充電速度極慢，背后的原因就是USB接口先天的供電限制。

USB PD1.0的愿景

2010年，USB-IF（USB標(biāo)準(zhǔn)化組織）推出了BC1.2協(xié)議（BatteryCharging1.2），它引入了充電端口的識(shí)別機(jī)制，從而可以實(shí)現(xiàn)基于USB2.0接口的5V/1.5A（7.5W）供電能力。2012年，USB-IF組織又給業(yè)內(nèi)畫(huà)了一張“大餅”，發(fā)布了基于USB-A和USB-B型接口的USBPD1.0（USBPowerDelivery1.0）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，描繪了最高可達(dá)100W供電能力的美好愿景（圖2）。不過(guò)，所謂“愿景”就是想想就好，直到2014年USBType-C型接口的出現(xiàn)（圖3），USB才真正實(shí)現(xiàn)了百瓦級(jí)別的供電能力。

隨著智能手機(jī)內(nèi)置鋰電池容量以及耗電量的不斷增加，哪怕是USBBC1.2也無(wú)法滿足用戶的充電需求。于是高通第一個(gè)跳了出來(lái)，在2013年發(fā)布了QC1.0（QuickCharge1.0）快充技術(shù)，基于USB-A和MicroUSB接口（USB2.0）就可以實(shí)現(xiàn)5V/2A（10W）的充電能力。隨后，聯(lián)發(fā)科也推出了自家的PE（PumpExpress）快充技術(shù)與QC對(duì)飚，在私有快充協(xié)議出現(xiàn)之前，支持QC和PE快充技術(shù)的智能手機(jī)都將它們作為主打賣(mài)點(diǎn)之一。

USB PD2.0的百瓦震撼

2014年是一個(gè)非常重要的年份。這一年高通推出了QC2.0快充技術(shù)，支持18W～24W充電功率（9V/2A～12V/2A）;OPPO通過(guò)魔改USB-A和MicroUSB針腳（圖4）、數(shù)據(jù)線和添加獨(dú)立的識(shí)別芯片，帶來(lái)了高達(dá)22W（5V/4.5A）的VOOC閃充技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了智能手機(jī)快充技術(shù)的私有協(xié)議先河;借著USBType-C接口崛起的契機(jī)，USB-IF組織也發(fā)布了USBPD2.0充電協(xié)議（圖5），支持5V、9V、12V、15V和20V五檔電壓，可以實(shí)現(xiàn)從15W（5V/3A）～100W（20V/5A）的充電功率（圖6），著實(shí)嚇壞了不少小朋友。

2015年底，USB-IF組織發(fā)布了更成熟的USBPD3.0充電協(xié)議（圖7），較之2.0版本增加了對(duì)設(shè)備內(nèi)置電池特性更為詳細(xì)的描述、可通過(guò)PD通信進(jìn)行設(shè)備軟硬件版本識(shí)別和軟件更新以及數(shù)字證書(shū)及數(shù)字簽名功能?？上Т藭r(shí)USBType-C接口還未普及，而智能手機(jī)領(lǐng)域也正處于高通QC2.0/3.0（圖8）、聯(lián)發(fā)科PE2.0、OPPOVOOC（一加DASH）、華為FCP、魅族mCharge、摩托羅拉TurboCharge等多種快充技術(shù)混戰(zhàn)的時(shí)期，而業(yè)內(nèi)也陷入了“低壓大電流”（如VOOC）和“高壓低電流”（如QC2.0）兩種快充方案誰(shuí)更好的口水戰(zhàn)之中。

USB PD的普及之光

好消息是，原本“姥姥不疼舅舅不愛(ài)”的USBPD協(xié)議被兩個(gè)大佬看中了。2017年，蘋(píng)果新一代iPhone8和NewMacBook開(kāi)始正式支持USBPD充電協(xié)議，谷歌也在這一年要求今后凡是預(yù)裝Android7.0（或更新）系統(tǒng)新款手機(jī)的私有協(xié)議需要兼容USBPD。為了提前配合這兩個(gè)行業(yè)大佬，USB-IF組織在2017年2月便發(fā)布了USBPD3.0協(xié)議的“補(bǔ)丁”，名為“PPS”（ProgrammablePowerSupply，可編程電源）的重要更新，通過(guò)更精準(zhǔn)的電壓調(diào)幅能力適配更多類型的設(shè)備并提升安全性（圖9），旨在為市面上的快速充電解決方案提供統(tǒng)一的規(guī)范（圖10）。

以高通為例，QC4.0還未全面商業(yè)化，就不得不迎合谷歌的要求推出了支持USBPD3.0+PPS的QC4+，如今包括VOOC在內(nèi)的其他私有協(xié)議也全面兼容USBPD充電協(xié)議（如無(wú)特別說(shuō)明，下文特指USBPD3.0+PPS）。與此同時(shí)，越來(lái)越多的筆記本（以輕薄本為主）也逐漸將USBType-C作為充電接口，支持45W～100W的USBPD充電。

問(wèn)題來(lái)了，雖然如今絕大多數(shù)新款手機(jī)都已支持USBPD，但在搭配USBPD充電器時(shí)卻僅能實(shí)現(xiàn)最高18W左右的充電功率，而如果換成支持私有協(xié)議的原裝充電器，卻能獲得30W～120W的極速閃充。同時(shí)，雖然很多高配置的游戲本也開(kāi)始配備支持USBPD充電功能的USBType-C接口，但USBPD的100W供電上限卻僅能讓其運(yùn)行在省電或平衡模式，“帶不動(dòng)”高性能模式下的游戲場(chǎng)景。

那么，USB PD又該如何應(yīng)對(duì)來(lái)自未來(lái)的需求呢？

向240W發(fā)起沖擊的USB PD3.1

2021年5月，USB-IF組織發(fā)布了最新的USB PD3.1協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，試圖將智能手機(jī)、筆記本電腦、穿戴式和IoT設(shè)備、智能家居、通信和安防設(shè)備以及電動(dòng)車(chē)都納入到PD的充電版圖中來(lái)。

SPR和EPR兩種規(guī)范

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，USBPD3.1包含“SPR”（StandardPowerRange，標(biāo)準(zhǔn)功率范圍）和“EPR”（ExtendedPowerRange，擴(kuò)展功率范圍）兩種規(guī)范（圖11）。其中，SPR就是現(xiàn)有的USBPD3.0+PPS，支持15W～100W的充電功率。而EPR則在前者的基礎(chǔ)上，新增了28V、36V和48V三種固定電壓檔和三種AVS可調(diào)電壓檔（AdjustableVoltageSupply），它們與早期的USBPD協(xié)議的充電能力差異如下（表1）。

沒(méi)錯(cuò)，USBPD3.1賦予了與其搭檔的USBType-C接口最高240W的充電能力，48V/5A的輸出功率已經(jīng)足夠給兩輪電動(dòng)車(chē)充電了（圖12）！未來(lái)，從智能手表、智能手機(jī)、武裝RTX3080級(jí)別獨(dú)顯的游戲本再到兩輪電動(dòng)車(chē)都采用一種充電接口和充電協(xié)議時(shí)，完美的兼容時(shí)代想想就非常美好。

不過(guò)，對(duì)充電進(jìn)化歷史稍有了解的朋友肯定已經(jīng)意識(shí)到一個(gè)問(wèn)題，隨著USB PD3.1協(xié)議的出現(xiàn)，充電線纜也該換了。

來(lái)自充電線纜的新需求

本刊曾在2020年第23期《小線纜大門(mén)道深入了解USBType-C數(shù)據(jù)線》一文中介紹過(guò)USBType-C接口的充電線纜，凡是支持5A電流（或更高的傳輸速度以及視頻輸出能力）的線纜都需在接頭內(nèi)添加額外的E-Marker芯片（圖13）。目前市售的5A充電線纜都適用于USBPD3.1SPR規(guī)范，但要想實(shí)現(xiàn)EPR規(guī)范的140W～240W充電功率，還需要在Source，Sink和Cable之間通過(guò)EPR特定信息握手才能由SPR進(jìn)入到EPR狀態(tài)。如果充電線纜是固定在充電器上的CaptiveCable，則需要Source和Sink之間握手。

換句話說(shuō)，USBPD3.1時(shí)代將存在20V等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)型5A充電線纜（可以給手機(jī)和輕薄本充電）以及針對(duì)EPR規(guī)范特別定制50V等級(jí)的5A充電線纜（適用于游戲本和兩輪電動(dòng)車(chē)），后者對(duì)于內(nèi)部用料的要求更高（圖14），價(jià)格也會(huì)水漲船高。同理，支持EPR規(guī)范的充電器也需要重新定制并強(qiáng)化安全屬性，哪怕有著氮化鎵的加持此類充電器的尺寸也會(huì)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的100WUSBPD充電器，價(jià)格自然也更加昂貴。

但無(wú)論如何，USBPD3.1總算是讓我們看到了江湖一統(tǒng)的曙光，如果EPR規(guī)范可以大規(guī)模普及，一個(gè)240WPD充電器（包括50V等級(jí)的5A充電線纜）在家能充游戲本，在外能充電動(dòng)車(chē)，找不到設(shè)備A的原裝充電器用設(shè)備B的充電器也能充電，這種全場(chǎng)景的充電體驗(yàn)非常美好。

手機(jī)通用快充方案加速進(jìn)行時(shí)

雖然手機(jī)廠商在谷歌的倡導(dǎo)下，讓所有配備Type-C接口的手機(jī)都開(kāi)始兼容PD充電協(xié)議，但使用PD充電器時(shí)的實(shí)際充電功率卻大都被限制到了18W以內(nèi)，想要實(shí)現(xiàn)30W+的快充，就必須使用私有協(xié)議。好消息是，這個(gè)問(wèn)題有望在未來(lái)得到解決。

各自為戰(zhàn)的私有協(xié)議

目前哪怕千元價(jià)位手機(jī)也已開(kāi)始普及30W+充電功率，2000元價(jià)位手機(jī)則開(kāi)始普及65W+，而頂配旗艦則有不少已經(jīng)用上了100W+的極速閃充（表2）。

私有快充協(xié)議是體現(xiàn)手機(jī)品牌研發(fā)實(shí)力，打破同質(zhì)化提升競(jìng)爭(zhēng)底蘊(yùn)的核心賣(mài)點(diǎn)之一（圖15）。但對(duì)于消費(fèi)者而言，私有協(xié)議之間互不兼容，跨品牌使用時(shí)的體驗(yàn)就非常差勁兒了，還會(huì)衍生出資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等更嚴(yán)重的問(wèn)題。

UFCS快充規(guī)范出爐

為了解決手機(jī)充電技術(shù)的“內(nèi)卷”問(wèn)題，電信終端產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)在前不久發(fā)布了融合快充標(biāo)準(zhǔn)《移動(dòng)終端融合快速充電技術(shù)規(guī)范》，并由綠色能源工作組（WG10）、信通院、華為、OPPO、vivo、小米、榮耀、矽力杰、瑞芯微、立輝科技、昂寶電子、電酷網(wǎng)絡(luò)等多家終端、芯片企業(yè)和產(chǎn)業(yè)界伙伴聯(lián)合制定了UFCS（Universal Fast ChargingSpecification）快充規(guī)范（圖16）。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，UFCS快充規(guī)范采用連續(xù)調(diào)節(jié)模式，輸出電壓分為5V、10V、20V、30V四個(gè)可編程的檔位（類似USBPD3.0 PPS調(diào)壓）。同時(shí)，UFCS快充標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定由供電設(shè)備和充電設(shè)備共同完成線纜電子標(biāo)簽信息的獲取，并強(qiáng)制充電設(shè)備增加線纜阻抗檢測(cè)功能（圖17）。當(dāng)電流>6.5A時(shí)，需要增加UFC S線纜電子標(biāo)簽;當(dāng)4A<通路電流≤6.5A 時(shí)，建議增加UFCS線纜電子標(biāo)簽，也可支持其他線纜識(shí)別方案;當(dāng)線纜通流≤4A時(shí)，不需要識(shí)別線纜，采用根據(jù)線纜阻抗來(lái)匹配線纜通流能力（圖18）。

理性看待通用快充方案

就目前來(lái)看，UFCS快充規(guī)范有利于緩解各種私有充電協(xié)議間互不兼容的局面，但指望它在短期內(nèi)一統(tǒng)“手機(jī)充電江湖”卻并不現(xiàn)實(shí)。畢竟私有協(xié)議是手機(jī)廠商花大價(jià)錢(qián)研發(fā)的，也是可以提高辨識(shí)度和影響力的核心技術(shù)。

UFCS快充規(guī)范最大的意義，是讓私有協(xié)議之間“求同存異”，只要充電器、手機(jī)和數(shù)據(jù)線之間握手成功，就能以超過(guò)30W+級(jí)別的功率相互充電。但要想達(dá)到私有協(xié)議的充電功率上限（如100W+），短期內(nèi)還是需要用自家的充電器配自家的手機(jī)。以小米演示的“魔改”小米11 Pro所支持的200W有線快充為例，這款產(chǎn)品的接口并非標(biāo)準(zhǔn)的USB Type-C（圖19），而且通過(guò)雙電芯+20V/10A方案實(shí)現(xiàn)了200W快充能力，而10A的充電線纜顯然已經(jīng)超過(guò)了USB PD 5A線纜的供電上限。