PD、QC、PPS协议的同与不同,PD会一统快充江湖吗?
PD、QC、PPS协议的同与不同,PD会一统快充江湖吗?
快充技术主要有两种方案:提高电压或加大电流(P=UI),从而达到提高功率、加快充电的目的。
目前市面上主流的快充协议主要有:高通QC、USB PD、华为FCP/SCP、OPPO VOOC,以及小米的快充私有协议等。这些快充协议不兼容、不统一,是电源工程师每天都在为之头疼的问题。那么,这些快充协议到底有什么区别呢?哪个充电更快呢?
高通QC快充
高通很早就提出快充技术,其快充协议全称为Quick Charge,是高压快充的代表。
华为FCP/SCP
华为从Mate8开始就开发了自有的快充技术,目前有FCP(Fast Charge Protocol)和SCP(Super Charge Protocol)。比如华为66W快充,电压11V,电流6A。与一般的USB PD快充(220V/3.25A)不一样。
PD快充协议(PPS)
PD快充协议芯片上的PPS,代表可编程电源(Programmable Power Supply),其功能允许电流和电压逐步变化。它降低了充电过程中的转换损耗,确保充电更有效。当充电更有效时,产生热量更少,并且产生较少的热量时,电池的寿命也将延长。
快速充电(QC)是市场上最常见的快充协议之一,并在许多流行的智能手机中找到。它是由Qualcomm(高通)发明的,它制作了移动CPU。
高通QuickCharge3.0A类/B类规范对HVDCP进行自适应充电。
简单来说QC就是多了两个针脚做充电器与设备之间的充电协议适配的信号数据传输,这就可以实现更加复杂、更加智能的充电方案。还有一种快充就是用电流脉冲来实现适配,但是不如PD那么智能。
适配器的功率提供能力
在不考虑接口承受能力的情况下,20W功率对适配器来说是轻而易举。但是传统的Micro-USB接口,在标准规范里面最大电流承载能力是2A,最高电压是5.25V。仅仅有10.5W,无法达到20W的要求。怎么解决这个问题呢?显然有两种解决方案,增大电流,或者提升电压。
如果不改动物理接口,增大电流是不可能的选项,所以,提升电压,是Micro-USB时代的唯一选项,这就是高通QC快速充电方法的由来。所以,我们可以看到,1.5A是QC标准比较推荐的电流,因为2A是Micro-USB的极限,业界的普遍共识是,不要把器件用到极限值,而是要预留至少80%的余量。
USB PD协议很快发展到USB PD3.0版本,输出可以分为5V 2A、12V 1.5A、12V 3A、12V5A、20V 3A、20V 5A等多种不同规格,功率可达100W。该协议需搭配Type-C接口实现,适用于手机、平板、笔记本等设备充电,支持双向电能传输,更支持正反盲插,非常实用。
不出所料,USB PD 3.1接踵而至,该协议规范允许最高240W的充电功率,最大电流保持5A不变,扩展了28V,36V,48V的多个电压档位。比如,一些手机对外称140W(28V/5A)快充,不少电动车厂商如雅迪就推出了240W快充。但,,充电过程发热、发烫严重,温度过高,甚至一些低质的充电器流入市场,造成充电时起火等严重灾害。所以,作为专业资深人士,笔者还是请各位不要太急了,功率过高的快充,是会让你无形中付出一些代价的。可能有手机电池,器件老化,个人安全等问题。个人觉得,手机快充30W-60W足够。
USB-PD快充协议的全称是USB Power Delivery,是由USB-IF组织制定的一种快速充电规范,是目前主流的快充协议之一。而苹果正是USB PD快充标准的发起者之一,所以现在也有苹果手机支持快充,它们采用的正是USB-PD快充协议。
USB-PD快充协议与其它快充协议更像是一个包含与被包含的关系,目前USB-PD 3.0协议已经包含了高通QC 3.0与QC4.0,华为的SCP与FCP,MTK的PE3.0与PE2.0,还有OPPO的VOOC。所以从整体来看,USB-PD快充协议更有“一统江湖”的优势。
PD是通过往VCC总线里输入一个脉冲波,让设备去检测,检测到去打乱这个波形,得到双波,这就是充电器的PD,这也就是为什么QC充电不支持传输数据。然而USB PD支持,不但支持,还可以接HUB,传输更多数据。
PD快充协议芯片上的可编程电源(PPS)能力允许电压和电流的小的逐步变化。如果接收器连接到PPS的能力源,则它可以请求源来进行这些更改。此功能是在充电期间降低转换损耗的有效方法。
PD原理:
USB PD的通信是将协议层的消息调制成24MHZ的FSK信号并耦合到VBUS上,或从VBUS上获得FSK信号来实现手机和充电器通信的过程。
如下图所示,在USB PD通信中,是将24MHz的FSK通过cAC-Coupling耦合电容耦合到VBUS上的直流电平上的,而为了使24MHz的FSK不对Power Supply或者USB Host的VBUS直流电压产生影响,在回路中同时添加了zIsolation(隔离)电感组成的低通滤波器过滤掉FSK信号。
US BPD的原理,以手机和充电器都支持USB PD为例讲解如下:
1)USB OTG的PHY监控VBUS电压,如果有VBUS的5V电压存在并且检测到OTGID脚是1K下拉电阻(不是OTG Host模式,OTG Host模式的ID电阻是小于1K的),就说明该电缆是支持USB PD的;
2)USB OTG做正常BCSV1.2规范的充电器探测并且启动USBPD设备策略管理器,策略管理器监控VBUS的直流电平上是否耦合了FSK信号,并且解码消息得出是Capabilities Source消息,就根据USBPD规范解析该消息得出USB PD充电器所支持的所有电压和电流列表对;
3)手机根据用户的配置从Capabilities Source消息中选择一个电压和电流对,并将电压和电流对加在Request消息的payload上,然后策略管理器将FSK信号耦合到VBUS直流电平上;
4)充电器解码FSK信号并发出Accept消息给手机,同时调整Power Supply的直流电压和电流输出;
5)手机收到Accept消息,调整Charger IC的充电电压和电流;
6)手机在充电过程中可以动态发送Request消息来请求充电器改变输出电压和电流,从而实现快速充电的过程。
2022年10月24日,欧洲理事会最终批准了“在欧盟范围内统一充电器接口”的法案。这意味着到2024年,USB-C(USB Type-C)接口将成为一系列电子设备的必备品,如手机、平板电脑和耳机。
可以设想,未来带着手机、电脑、pad和耳机等一系列电子产品出门,包里只需带一根充电器是一种怎样的体验。难怪欧盟轮值主席国捷克工业和贸易部长约瑟夫·西克拉(Jozef Síkela)称,一个适合多种设备的充电器将节省金钱和时间,也有助于我们减少电子垃圾,此前充电器每年产生约11000吨电子垃圾。
因此,USB Type-C接口标准的发展为不断增长的现代电子设备之间的连接发挥了重要作用,而运行其上的电源传输(Power Delivery, PD)协议则大大提高了电力传输的功率水平。