近日,通用串行总线(USB)标准组织USB-IF公开了USB-C(即USB Type-C)接口新规范USB Type-C 2．1,这是自2019年8月USB Type-C 2．0规范之后,USB标准组织对USB-C接口的机械电子特性做出的重大修订,之所以要对USB接口物理特性做修改,是因为USB-IF同期公布了USB供电协议(USB Power Develiry,简称USB PD)的新标准,USB PD 3．1将支持最高240瓦功率,而旧标准最高支持供电能力为100瓦。当然,USB-C接口规范变化,支持240瓦供电只是一个要素,对USB 4标准支持及兼容雷电3也是非常重要的驱动力。

USB供电发展史

从通信链路中取电的思路由来已久。由于使用方便、连接简单,而且真正支持热插拔,自1996年USB标准公布之后,USB逐渐取代其他串行接口,成为IT设备中最通用的接口。USB包含电源和地线接口,可以为接在其上的便携设备供电,在USB 2．0时代,USB接口就可以为外接设备提供2．5瓦的电能(5V@500mA)。之后USB标准组织旗下的电池充电工作组开始为USB接口(含USB标准接口及miniUSB和microUSB接口)制定充电标准,2007年推出USB充电标准1．0(USB Battery Charging v1．0,简称USB BC),在USB 3．0规范推出后,USB供电最大支持4．5瓦(5V@900mA)。

2010年12月发布的USB BC1．2规范规定,USB设备支持快慢充,最高充电功率可达7．5瓦(5V@1500mA)。

随着USB设备越来越多,从USB取电或者用USB接口充电的需求越来越多,但上述标准最多支持7．5瓦。只能满足手机等超便携设备的充电需求,而且由于功率有限,对于智能手机等大电池设备,需要数小时才能充满。为满足移动设备的供电与充电需求,USB IF另外成立了USB供电工作组,期待用一种接口满足对所有移动设备的供电需求。2012年7月 USB PD 1．0规格公布,最高可供应100瓦(20V@5A)电能,支持设备在供电(Source)与受电(Sink)间角色互换,从而让各种设备都能通过一条USB线来满足供电需求。该标准支持既有USB核心标准(USB 3．0/2．0及充电标准USB BC 1．2/1．1/1．0)

在3．1标准之前,USB PD有两次大版本升级,分别是2014年推出的USB PD 2．0,加入了对USB-C接口的支持;以及2015年推出的USB PD 3．0, 加入可编程电源供应,可兼容各家快充协议,最新可支持QC4+快充。

USB PD3/2版本区别在于是否支持可编程电源供应

从5V1A到超百瓦快充

智能手机的快充需求对USB充电功率的提升起到了决定性作用。由于其电池容量大、电量消耗快又成为多数人须臾不能离的设备,因此充电慢成为智能手机一大痛点,比如苹果公司在超过10年时间里,给手机标配的都是5V1A充电功率5瓦的充电器,电池充满需要数小时。

2013年,高通公司推行Quick Charge 1．0(简称QC 1．0)标准,提出“快充”概念,通过提高输入电流,高通芯片支持最高10瓦(5V@2000mA)充电功率,突破了USB BC 1．2协议1．5A充电电流上限。

由于当时microUSB接口仅能承受最高2A电流,所以2015年推出QC 2．0标准时,高通加入了高压方案,通过提高充电电压,来提升充电功率,QC 2．0标准最大功率达到24瓦。

而OPPO在2014年推出低压大电流充电方案,通过改变MicroUSB数据线中的触电、内部线,从头改造电路,制造专属OPPO的特制数据线,达到快速充电的效果,初代VOOC快充支持25瓦(5V@5A)充电功率。

以高通QC2．0为首的高压快充和以OPPO VOOC为首的低压大电流快充两种方案大幅度提升了充电速度,但低压大电流模式受限于micro USB接口问题,没有得到迅速推广。包括联发科Pump Express(PE)、魅族mCharge和Pump Express Plus(PEP)、华为早期Fast Charge Protocol(FSP)等快充技术都是这个时期出现的高压快充方案。

快充时代真正来临始于Type-C数据线的面世,USB-C数据线突破了2A电流限制,最大支持5A电流,从而可以满足USB PD规范的100W供电需求。伴随着安卓手机开始全面采用USB-C接口,各手机厂商纷纷开始启用低压大电流快充方案,华为兼容PD和高通QC协议的SuperCharge(SCP)、联发科Pump Express 3．0、魅族Super mCharge和mCharge4．0等快充方案由此产生。而高通也发现了低压方案的优势,在QC4．0快充协议上加入了低压大电流,即同时支持高压快充方案和低压大电流方案,主流手机快充功率飞跃到50瓦以上。

但中国手机厂商对充电功率的追求看起来并无止境。虽然USB PD标准最高支持100瓦。但到2020年,已经有多家手机厂商推出功率超过100瓦的手机快充方案。例如iQOO发布FlashCharge 120瓦超快闪充技术,OPPO superVOOC 125瓦超级闪充技术,以及小米的120瓦有线秒充技术。

从技术角度看,无论是OPPO超级闪充技术,还是iQOO超快闪充技术都运用了电荷泵方案,125瓦超闪技术采用转换效率98%的并联三电荷泵方案,其原理是充电器输出的20V 6．25A功率经过三个并联的电荷泵降压转换成10V 12．5A进入电池,每个电荷泵只需要转换20V 2．1A大约42W左右的功率,有效地避免了大电流造成的电荷泵过载、过热的情况;iQOO 120W FlashCharge超快闪充技术则是利用转换效率97%的“双电芯串联”的电池方案,通过20V 6A充电器进入手机后分为双路20V 3A再各自使用一颗电荷泵分压输出10V 6A,最后合并成10V 12A对两串电芯进行高压直充。

实现240瓦供电在USB硬件设计时有哪些考虑?

对于百瓦以上的充电方案,虽然各厂商在手机侧做了大量保护措施,但是从充电器到手机侧的线缆与插头却无法保护,无论是6A(20V),还是6．25A(20V),都超过了USB PD规定的5A电流标标称值。

在USB PD 3．1中,标称电流仍然是5A,该标准通过提升电压来实现更大功率供电,旧标准最高支持20V电压,新标准中扩充了三个电压级别,分别是28V(100至140瓦)、36V(140瓦至180瓦)和48V(180瓦至240瓦)。

为支持超过百瓦的电力传送,USB标准组织将推出能支持高电压的专用USB线,并在电缆上标注EPR(Extended Power Range,高功率线缆),未标注EPR的传统USB线将被称为SPR(Standard Power Range,标准功率线缆)。EPR标USB线最低应支持53．65V电压,而在高功率线缆连接的电源脚的滤波电容耐压值不得低于63V。

USB设备在高功率应用中热插拔时,可能会出现电弧,如果对电弧放电不做保护,设备很容易被打坏。而供电电压越高,电弧危害性越大,所以供电电压越高,所需稳压电容越大,USB Type-C 2．1规范中对如何应对电弧危害,有比较详细的描述。

对芯片及设备业影响

超百瓦USB设备供电设计还有非常多的考虑,需要芯片公司和设备厂商去逐渐磨合。自USB-C接口和USB-PD规范推出以来,便携设备充电接口统一的进程加快了很多,但百瓦功率还不能覆盖高性能笔记本(功率可达数百瓦)等设备,新版标准出来之后,笔记本市场基本实现全覆盖,也给手机厂商继续冲刺“秒冲”记录打开了空间。但新版USB-PD支持电压到48V,已经超过安全电压,这给设备厂商在设计高功率设备时带来更多挑战。

对芯片公司而言,高功率应用需要更多防护措施,能在最低成本上实现安全设计的电源管理芯片厂商,将有机会吃到更多市场红利。而USB高功率供电需要更高能效的功率器件,这无疑将给当前火热的氮化镓(GaN)市场再加一把火,电源芯片行业专家印宁华表示,不只是氮化镓,MOS器件和碳化硅(SiC)器件也将迎来利好。而随着快充功率升级,PD协议解析也将是一个不错的市场,兼容充电器都需要PD协议解析芯片以支持原厂设备。

也有专家表示,随着USB-PD功率升高,更多家电设备也将支持USB接口供电。目前来看,除了空调、洗衣机等大功率设备,客厅和卧室多数设备已经支持USB直接供电,将来家庭供电布线时,甚至可以交流电与低压USB直供并排,更安全更便利。如果USB高功率供电技术成熟,将来在中低功率设备供电上一统天下将不是奢望。

1． 快充技术突破百瓦 行业标准制定成为焦点 新华网 周靖杰

2． USB Power Delivery將促使3C與行動裝置充電標準趨於一統

3． extended-power-range-usb-c-will-deliver-up-to-240-watts-in-the-future

4． USB Type-C SPEC 2．1

5． wiki:USB Power Delivery