快充是如何工作的?今天总算明白了
2020-10-04 23:48:36  出处:充电头网  作者:yubeii 编辑:上方文Q     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

快充协议是充电器与设备沟通握手所需的“语言”,只有正确“对话”后,才可以“握手”成功,进行快速充电。我们一步一步来看不同的快充协议是怎样工作的。

一、旧式快充协议

几年前快充协议十分简单,简单到类似交通信号灯,幼儿园小朋友都可以通过颜色判断信号含义。设备与充电器不需要很“聪明”就可以读懂双方的需求,不管是研发难度还是物料成本都简单便宜。而快充协议的红绿灯,则是采用D+D-电压进行信息传输。

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旧式快充协议都是使用USB2.0通讯接口,常见于USB-A接口。图片中是一个在移动电源上的USB-A输出母座,可以看到他与主板连接的只有四个引脚,其中两侧是用于传输电流的VCC、GND引脚,中间的是用于传输数据的D+、D-引脚。D+D-的“D”是数据Data的意思,充电端与接受电力的设备之间通过D+D-进行数据通讯,进而握手快充协议。

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我们再来看看数据线,一般来说USB2.0数据线USB-A接口上只有4个触点,与USB-A母座定义相同,最外面两个是用来传输电流的,中间两个是用来传输数据的。VCC、GND较长,D+D-较短,那是故意设计,为了拔出时先断开数据连接,后断开电力供给。

1、苹果2.4A

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在大家都是5V充电的年代,iPhone直接充电只有5W,需要充电器有特殊的识别电阻才可以获得更大充电功率。图中PCB左边是两个USB-A输出口的焊盘,共用了一颗支持双路智能识别的协议芯片,iPhone插入后,协议芯片调整USB-A接口的D+D-电压为2.7V/2.7V,提供苹果 2.4A的识别。而最右边的USB-A接口,则是简单地将D+D-直接连起来短接,提供DCP 5V1.5A的输出识别。

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通过POWER-Z测试仪监测iPhone 8 Plus的充电,可以发现当前D+D-电压为2.66V/2.65V,接近苹果2.4A识别协议的2.7V/2.7V,iPhone 8 Plus进入苹果2.4A充电模式,功率达到12W。

2、QC2.0

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进入QC2.0高压快充年代后,USB-A接口不再是简单的5V输出,而是可以升压至9V甚至12V电压获取大功率电力传输,这存在一定危险,什么情况才需要升压而不会烧坏设备?所以QC年代智能识别芯片做出了较大的进化,包含了多种不同快充协议,QC、FCP、AFC等等,同样是通过控制D+D-电压来进行轮询判断。例如QC2.0快充需要输出9V的话,D+D-电压就是3.3V/0.5V,需要输出12V的话,D+D-电压就调节为0.5v/0.5v,没有反馈就不进行升压,保持5V输出确保安全。

3、联发科PE

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如果说QC2.0基于D+D-电压进行通讯的方式类似红绿灯的话,魅族手机采用的联发科PE快充则是类似打电报的摩尔密码,嘀——嘀嘀嘀——嘀嘀——嘀嘀嘀——嘀——嘀——这样进行通讯。PE快充不需要D+D-数据传输,甚至只有VCC GND的两芯数据线都可以成功使用并触发PE快充,并且PE的电流脉冲信号近乎于无损数字传输,不会像D+D-那样出现电压值误差无法触发快充的情况。

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图中是POWER-Z USB测试仪抓取到魅族触发PE快充时的电流脉冲,可以看到电流的通断与间隔就像打电报一样进行信息传递,信息传递握手正确后,充电器输出电压从5V跳至7V再跳至9V。但PE快充太少众,市场占有率低没有话语权,配件选择面也少,甚至现在连魅族新机型都不再支持PE快充,这就是题外话了。

二、USB PD高级通讯协议

在进入USB PD快充时代后,充电器与数码产品的物理接口从USB-A口全面过渡到USB-C接口,USB-C接口拥有更多的Pin脚,支持更高的电力传输上限,并且完全不同于以往简单的D+D-识别,而是智慧式数据包双向沟通的手段进行更加复杂的通讯。如果说旧式快充协议是幼儿园学生看红绿灯过马路的话,USB PD快充协议就是两个成年人在进行微信聊天这种复杂程度。

我们来先看看接口的区别,USB-C物理接口满pin形态高达24个针脚,但用于充电不管多大功率,都只要USB2.0形态的12个针脚就足够了,满pin多出来的针脚是用于跑USB3.0/3.1/3.2/雷电等高速数据的,与充电无关,下面我们重点介绍一下USB2.0标准pin脚的USB-C接口。

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可以看到USB-C用于电力传输的VBUS、GND一共有两对也就是4根针脚,除了支持正反面盲插外,多了一倍的针脚让他可以支撑更大功率的电力传输。在接口的中间可以看到D+D-这两个USB-A标准上的针脚,所以USB-C可以向下兼容数据通讯。而USB PD最关键的是CC针脚,CC线是USB PD快速充电标准用于信息交换的通道,没有CC针脚的话就无法进行PD快充。一些魔改USB-A口,虽然形态是A口,但中间新增了一根针脚CC线,所以可以在A口上跑USB PD协议。

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USB-C通讯采用可编程语言进行双向通讯,需要用到高性能USB PD控制器,芯片体积、针脚数量、复杂程度都远超QC年代的协议芯片。下面我们通过POWER-Z USB测试仪抓取充电器与手机之间的通讯包,看看在充电过程中发生了什么事情。

1、PD2.0

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USB PD快速充电标准现在已经发展到PD 3.0,数字越大的版本所支持的功能越多,我们先看看PD2.0。PD2.0快充支持固定电压档切换,可以根据充电器广播选择需要的固定电压。POWER-Z USB测试仪上可以看到,设备与充电器通讯后从5V3A跳转到了9V3A这个电压档进行充电。

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我们再通过POWER-Z电脑端APP抓包看看,信息端口栏目分别是两个方向的传输,Source—>Sink、Source<—Sink。其中Source—>Sink是代表发射端向接收端发出的通讯,例如充电器对手机,Source<—Sink是接收端反馈信息给发射端,例如手机对充电器,搞懂了方向那我们接下来就能看懂他们之间的通讯方式。

USB PD通讯流程我们以PD 2.0充电器作为举例,线缆插上后供电端与设备并不是立刻开始充电,而是先打招呼,充电器进行广播PDO电压,充电器告诉手机,我支持5V2.4A / 9V3A / 15V3A / 20V2.25A四个固定电压输出。

手机接收到PDO广播信息后,先是反馈给充电器,告知需要5V2.4A这个电压档,充电器收到反馈后回复手机,电力已经调整至5V2.4A。之后手机充电器再互相通讯,手机请求调整输出电压至9V2A,充电器告知请求已经收到,正在调整至9V2A,这样完成一个通讯阶段。

2、PD 3.0 PPS

PD3.0 PPS与PD2.0相比原理接近,多了PPS电压子集。PPS电压子集是一组以0.02V跨度为调整幅度的供电电压集,可以精细地进行电压微调,让电荷泵快充、直充变成可能。

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PD 3.0 PPS插入线缆后,充电器向手机发出一个数据包(PDO广播),告诉手机我是一个充电器,拥有5V3A / 9V3A / 12V3A / 15V3A / 20V2.25A四个固定PDO与5-11V3A / 5-16V3A两组PPS。手机接收到这个广播后,对充电器反馈信息,请求输出5V3A电压。充电器接受到电压调整请求,并告知手机已经调整OK,手机反馈说已经做好充电准备,开始5V3A进行充电。

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在充电的途中,手机发出信息告知充电器,我需要调整电压,请求将输出电压调整至8.66V3A,充电器接收到电压调整请求,将输出从5V3A调整至8.66V3A。之后手机每秒发送多次调整电压指令,每次都告知充电器将电压下调0.02V,充电器也如实进行调整。

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在经过了五百多次的通讯进行电压微调后,最终稳定在了7V3A这一个电压进行充电,以达到充的快温升低的目的,这就是PPS快充协议的通讯过程。

三、私有协议

1、全私有协议

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某些厂家会对部分设备开发私有快充协议,在通讯过程中加密了信息流,用户想要获得最佳充电体验只能使用原厂配件。这种做法一来是因为目前的标准无法满足厂家需求,例如USB PD上限只有20V5A 100W,二来可以建设私有配件生态圈,足够的利润支撑技术研发达到良性发展,这么做无可厚非。

2、半私有协议

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部分厂商则是采用半私有协议,例如三星45W AFC快充,基于PD3.0 PPS开发的快速充电协议进行微调修改,因为未进行加密,所以市面上部分第三方配件也可以通用,用户选择配件范围较大。

四、USB-C接口统一对快充的好处?

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多年前接口未统一时,存在Micro USB、Mini USB、异形排针、DC圆口等多种不同接口,就连供电电压都存在差异,混沌的乱象阻碍着发展。USB-C好比灯泡卡座,淘汰其他接口大统一为USB-C接口标准,让万千设备均处以相同标准下运行,相同的物理接口,相同的通讯标准。生产商技术研发不再需要为各种标准而设计不同规格产品,快充技术得到飞速发展,用户作为消费者也在享受USB-C大统一的便利。

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USB-C是灯泡卡座的话,充电器就好比灯泡,基于USB-C标准而制造的充电器诞生出18W、30W、45W、65W、100W以及未来更大功率,用户可以根据自己需求选择不同功率的产品使用,无需担心接口问题。

总结

这次为大家介绍了部分快充协议的工作方式与原理,相信看完大家都会有所了解。对于手机、笔记本等设备来说,快充协议必不可少,没有快充协议支撑的话充电功率会受限在非常低的功率,得益于USB-C统一标准让快充全面普及,不管是入门机型还是旗舰产品都支持快充,不同消费层用户都可以享受快充带来的乐趣。

- THE END -

#充电#快充

原文链接:充电头网 责任编辑:上方文Q

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