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從QC到PD的充電器芯片——快充協(xié)議芯片的漫長進化之路

2020-07-13 14:06:53 

當我們使用支持 PD 或者 QC 快充協(xié)議芯片的充電器給數(shù)碼設備充電時,你可能并不會意識到,快充標準經(jīng)歷了怎樣的漫長進化之路。運算性能和提升和電池技術(shù)的停滯之間的矛盾早就了數(shù)碼產(chǎn)品用戶(尤其是智能手機用戶)對快速充電和無線充電的原始需求,前者可以縮短充電時間,后者可以利用碎片化時間為手機補充電量??斐浜蜔o線充電都可以提高充電效率,但是一直以來,Qi 在無線充電標準上一家獨大,但是快充標準卻很難有統(tǒng)一。

在所有的快充標準中,高通 QC 是早形成、同樣也是影響力大的第三方快充協(xié)議。高通是先注意到智能手機潛在的快充需求的廠商之一。 2013 年開始高通推出并逐步完善了 QC 快充協(xié)議,成為了如今快充領域不能被忽視的玩家之一。高通于 2013 年推出了版 QC 快充協(xié)議——QC 1.0。在 QC 快充原始的 1.0 階段,高通的快充方案也顯得簡單粗放:直接使用 5V 2A 10W 充電功率。

通常而言,USB-IFUSB Implementers Forum,非 USB 標準制訂組織)發(fā)布的 USB-DCP 協(xié)議規(guī)定的 Micro-USB 接口的輸入電流為 1.5A,而不是高通推出的 QC 1.0 快充標準的 2A。當時 Android 機型普遍配備的 5 Micro-USB 的電流傳輸極限是 2A,而業(yè)界的共識是預留一定的余量以確保充電,所以絕大部分機型的正常充電電流為 1.5A,充電功率為 7.5W5V 1.5A)。而 QC 1.0 僅僅是簡單地將充電電流提升到 2A,就將智能手機的充電效率在 7.5W 的基礎上提升了 1/3。

隨著智能手機對快充需求的進一步膨脹,QC 1.0 2014 年迎來了升級。Micro-USB 2A 電流傳輸上限限制意味著高通無法再通過提高電流實現(xiàn)更高功率充電,于是,高通轉(zhuǎn)而尋求通過提高輸入電壓來提供充電功率 ※。QC 2.0 將手機的輸入電壓增加到 4 檔,除了 5V 的標準電壓之外,還增加了 9V、12V20V 三擋快充電壓,依然使用 Micro-USB 2A 上限電流,大的充電功率理論上可以達到 40W。

QC 2.0 使用專用的充電適配器,但是為了保證適配器向下支持 5V 設備,高通在 QC 2.0 協(xié)議中引入了握手協(xié)議。QC 2.0 的握手協(xié)議通過 Micro-USB / USB-A / USB-C 接口的 DPD+Digital Positive)和 DMD-,Digital Minus)兩腳數(shù)據(jù)端子通信,智能手機主動向 QC2.0 充電器申請高電壓輸入,在經(jīng)過確認之后能夠?qū)⒋蟪潆婋妷禾岣叩?20V。使用專用充電器的 QC2.0 成為了上游和代工行業(yè)的救命稻草,自此快充行業(yè)開始了爆發(fā)式的增長。

雖然充電功率從 QC 1.0 10W 急速飆升到 40W,但是 QC 2.0 實際上依然非常原始。由于手機內(nèi)部的鋰離子電池實際可接受的充電電壓為 4.35V(少部分手機的鋰離子電池充電電壓為 4.2V 4.4V),所以實際上,無論手機 USB 接口的輸入電壓是 5V 還是 20V,手機內(nèi)部配備降壓電路將輸入電壓降 4.35V。但是 20V 電壓在手機內(nèi)部完成 4.35V 的降壓轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生大量的熱量,造成手機充電溫度過高,極易發(fā)生燃爆風險。所以,在 2015 年高通發(fā)布了更成熟的 QC 3.0 協(xié)議。QC 3.0 協(xié)議中,高通采用了 INOV 電壓管理算法和機制(Intelligent Negotiation for Optimum Voltage,佳電壓智能協(xié)商),從 3.6V 起步,結(jié)合實時的電壓、電流、電池溫度,INOV 可以保持與充電適配器的通信,以 200mV 的調(diào)幅步進自適應增降電壓,自動實現(xiàn)佳充電功率的傳輸。在已現(xiàn)雛形的 QC 3.0 的基礎上,高通于 2016 11 月發(fā)布了 QC 4.0,并僅僅于 7 個月之后的 2017 6 月快速更新到了 QC 4+。

先行發(fā)布的 QC4.0 采用了更精細的 INOV 機制,調(diào)幅步進從 QC3.0 200mV 調(diào)整為 20mV,而且支持 Dual Charge 技術(shù),充電速度提升 20%,充電效率提升 30%。劃的是,QC 4.0 開始支持 USB-C 接口和 USB PD 協(xié)議。緊隨 QC 4.0 升級的 QC 4+ 協(xié)議進行了更大大幅更新,包括:Dual Charge:支持額外一顆電源管理芯片,充電電壓轉(zhuǎn)換效率更高、充電速度更快智能熱量平衡:優(yōu)化 Dual Charge,自動分配電流路徑,優(yōu)化電量輸送

功能:同時監(jiān)控設備適配器和端口的溫度,防止線路過熱、短路,避免損壞 USB-C 接口。此,QC 發(fā)展到了現(xiàn)今的成熟階段。而在 QC 發(fā)展的過程中,PD 協(xié)議同樣在逐步完善。

直到 2017 5 USB-IF 推出 USB PD 3.0 協(xié)議的 PPSProgrammable Power Supply,可編程電源供應)規(guī)范,才終標志了快充標準的終統(tǒng)一。在 PPS 規(guī)范加入了對高壓低電流和低壓高電流兩種快充方式的支持,同時學習 QC 4+ INOV 引入了 20mV 調(diào)幅步進自適應調(diào)整電壓的機制。不過這并非 PPS 的全部,PPS 規(guī)范中影響大的一點是,USB-IF 利用自己規(guī)則制定者的身份,強行定義了 USB 接口不允許以 USB PD 以外的協(xié)議實現(xiàn)電壓調(diào)整,但是同時,USB-IF 允許第三方快充協(xié)議通過兼容 USB PD 的方式繼續(xù)存在。這一殺手锏意味著的 USB-IF 只給了第三方快充協(xié)議兩個選擇:死亡,或者被收編。

快充的充電階段可以分為恒定電流預充電(小電流)、恒定電流快速充電(大電流)、恒定電壓充電(電流由大變小直充電完成),無論是高壓低電流(QC 屬于此類)抑或是低壓高電流,都必然需要經(jīng)由 USB-C 接口調(diào)整電源適配器的輸入電壓。所以,PPS 規(guī)范宣布禁用非兼容 PD 協(xié)議的第三方快充協(xié)議調(diào)整 USB 電壓的權(quán)限,無疑是對高通們的終通牒。

但是 USB-IF 并未堵死所有第三方快充協(xié)議的活路,只要承認 USB PD 的「法幣」地位、接受被收編,第三方快充協(xié)議依然可以在自己的小國里仿照蘋果 MFi 向配件廠商(或者說用戶)收取授權(quán)費。

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