快充技術(shù)“大統(tǒng)一”

淺析USB PD3.0充電技術(shù)

雖然驍龍835、麒麟970、聯(lián)發(fā)科HeIi0 X30等新一代10nm旗艦級(jí)處理器會(huì)繼續(xù)打破當(dāng)前手機(jī)處理器的性能記錄，但不可否認(rèn)的是：對(duì)絕大多數(shù)消費(fèi)者以及我們最常使用的APP來(lái)說(shuō)，哪怕是驍龍625、HeIio P20級(jí)別的處理器就已經(jīng)極為優(yōu)秀了。在手機(jī)性能相對(duì)過(guò)剩的今天，源于待機(jī)續(xù)航方面的瓶頸已是重中之重。

如今智能手機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)就是更加輕薄的機(jī)身，增加屏占比換取更為震撼的視覺(jué)沖擊力（圖1）。在這種設(shè)計(jì)思路下，手機(jī)體內(nèi)留給安置電池的空間也就變得越來(lái)越小，在電池技術(shù)（能量存儲(chǔ)密度）沒(méi)有太大的突破前，想塞進(jìn)更大容量的電池，就只有犧牲厚度、重量和屏占比這些影響顏值的參數(shù)了。

由于Galaxy S8壓縮了上下邊框的寬度，并將指紋識(shí)別模塊移到了手機(jī)背面。所以它在增加屏幕面積的同時(shí)，體積和Galaxy S7相比并沒(méi)有太大的變化，保持電池容量不變自然是出于安全上的考量。

當(dāng)然，通過(guò)優(yōu)化機(jī)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也是有機(jī)會(huì)在保持“性感”設(shè)計(jì)的同時(shí)配備更大容量的電池。以三星Galaxy Note7為例，它和上一代Galaxy Note5同樣是5.7英寸屏幕，而且還采用了曲面屏幕和防水功能等“浪費(fèi)空間”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但它內(nèi)置的電池容量依舊從Note5的3000mAh提升到了3500mAh（圖2），從而獲得了更理想的續(xù)航表現(xiàn)。

然而，正是因?yàn)镚alaxyNote7采用了激進(jìn)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致更大容量的新電池超出了原先的保護(hù)能力（圖3），最終讓這款機(jī)皇因“爆炸門(mén)”事件而匆匆退市。由此可見(jiàn)，想讓智能手機(jī)保持苗條身材與更大電池兼顧的設(shè)計(jì)存在風(fēng)險(xiǎn)。受Note7的影響，未來(lái)更多的手機(jī)廠商也將在電池容量的取舍上做出讓步。還是以三星為例，即將上市的Galaxy S8雖然采用了更大的5.7英寸屏幕，但它的電池預(yù)計(jì)卻和5.1英寸的GalaxyS7相同都是3000mAh，由此不難說(shuō)明問(wèn)題。

在鋰電池技術(shù)沒(méi)有太大的革新之前，智能手機(jī)的電池注定保持在一個(gè)合理的容量上。在這種大環(huán)境下，增加手機(jī)充電功率，減少手機(jī)充電所需等待的時(shí)間，就是一種改善續(xù)航的“曲線救國(guó)”方案了（圖4）。類(lèi)似“通電5分鐘，通話2小時(shí)”的廣告語(yǔ)，就是對(duì)快充技術(shù)的最完美詮釋。

然而，各個(gè)手機(jī)品牌在給旗下產(chǎn)品融入快充技術(shù)的同時(shí)卻出現(xiàn)了分歧。

以O(shè)PPO、華為和三星為代表的廠商，選擇了自主研發(fā)的快充方案。其中OPPO將其命名為“VOOC閃充”（一加手機(jī)3的DASH快充可視為VOOC的分支）；華為快充則衍生出了FCP、SuperCharge和Magic Power三個(gè)版本；而三星的快充則被稱(chēng)為AFC。三者不同之處在于，三星旗下的絕大多數(shù)中高端機(jī)型可同時(shí)支持AFC和高通OC，而OPPO和華為的快充則僅為自家產(chǎn)品服務(wù)（圖5）。

相對(duì)于耗費(fèi)精力的自主研發(fā)，更多的手機(jī)廠商選擇了直接和芯片方案提供商合作。比如搭載聯(lián)發(fā)科處理器的手機(jī)就支持PE/PEP，而搭載高通處理器的手機(jī)則兼容OC，這項(xiàng)技術(shù)屬于處理器的“打包附贈(zèng)”，手機(jī)廠商只需在手機(jī)端和充電器端分別嵌入相關(guān)的充電識(shí)別IC芯片即可。

問(wèn)題來(lái)了，各種快充技術(shù)之間存在兼容問(wèn)題，其中OPPO VOOC更是需要重新定制的MicroUSB接口和數(shù)據(jù)線。家里的手機(jī)越多、品牌越雜，手機(jī)和充電器的（快充）匹配問(wèn)題就顯得越是頭痛（圖6）。每一款手機(jī)都需要一個(gè)與其匹配的（快充）充電器，這無(wú)疑是一種資源上的浪費(fèi)，造成電子垃圾污染。

小提示

USB PD3.0是通過(guò)PPS協(xié)議實(shí)現(xiàn)的對(duì)主流快充技術(shù)的收編，原本并未包括三AFC、展訊SFCP和AppIe的快充協(xié)議。但是，已有芯片廠在USBPD3.0的基礎(chǔ)上，推出了同時(shí)兼容AFC、SFCP和Apple的快充電源管理IC芯片，從而實(shí)現(xiàn)了快充方案全兼容的夢(mèng)想。

對(duì)快充方案的混亂境遇，最先“看不下去”的就是谷歌。早在2016年11月，谷歌就在Android 7.0的OEM規(guī)范中明確指出：想用最新的Android 7.×系統(tǒng)？沒(méi)問(wèn)題，但你必須選擇USB PD充電協(xié)議！這則消息剛一出現(xiàn)就在手機(jī)圈里引起了不小的風(fēng)波，很多用戶紛紛表示“這讓其他快充方案怎么活？”

2個(gè)月后，推廣、制訂USB技術(shù)的非營(yíng)利組織USB-IF就公布了最新的USB PD3.O技術(shù)，不僅符合谷歌想通過(guò)Android7.×普及USB PD充電協(xié)議的野心，同時(shí)也解決了困擾我們已久的與其他快充技術(shù)的通用性問(wèn)題：USBPD3.0可全面兼容OC4.0/3.0/2.0、MTK PE2.0/3.0、FCP、VOOC等快充協(xié)議，基本實(shí)現(xiàn)快充江湖的“統(tǒng)一”（圖7）。最令人欣喜的是，USB PD3.0與我國(guó)工信部的泰爾實(shí)驗(yàn)室達(dá)成了共識(shí)，預(yù)計(jì)將與國(guó)標(biāo)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一！

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，USB PD充電協(xié)議最大的特色就是設(shè)定了1 OW、18W、36W、60W、100W五個(gè)檔次的充電功率標(biāo)準(zhǔn)（圖8），分別對(duì)應(yīng)5V/2A、12V/1.5A、12V/3A、20V/3A以及20V/5A的電流/電壓搭配，可滿足類(lèi)似顯示器、筆記本等耗電量更高設(shè)備的供電（充電）需求，還能實(shí)現(xiàn)雙向充電功能，即兩臺(tái)電腦用USB線連接可以互相充電。

細(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，USB PD的供電標(biāo)準(zhǔn)比較“呆板”，10W、18W和36W之間的跨度太大。要知道，無(wú)論是高通OC3.0/OC4.0還是聯(lián)發(fā)科PE2.0/PE3.0都引入了浮動(dòng)電壓微調(diào)的概念。比如，高通OC3.0能在3.6V～20V之間以200mV為單位進(jìn)行上下調(diào)節(jié)（電流最大3A）；OC4.0進(jìn)一步提升了功率，5A時(shí)可輸出最大電流為5.6A，9V時(shí)為3A，電壓檔繼續(xù)細(xì)分以20mV為一檔；聯(lián)發(fā)科PE3.0則能在3V～6V之間以10-20mV的步進(jìn)進(jìn)行調(diào)節(jié)（電流最大6A）。

面對(duì)OC3.0/OC3.0和PE3.0這種可調(diào)電壓獲得最大充電效率的能力（圖9），USB PD似乎有些不合時(shí)宜，又何談取代？

而USB PD3.0技術(shù)最大的改進(jìn)，就是引入了一項(xiàng)名為PPS（Prog rammabIe Powe rSupply）的協(xié)議。PPS協(xié)議讓USB PD 3.0獲得了強(qiáng)大的可編程能力，輸出電壓范圍從5V擴(kuò)展到3.0V～21V。同時(shí)，PPS可調(diào)整電壓幅度為20mV，可以實(shí)現(xiàn)低壓大電流直充。此外，PPS協(xié)議還規(guī)定，最少每10秒負(fù)載和適配器之間就要保持一次脈動(dòng)溝通，這種脈動(dòng)機(jī)制可有效避免充電過(guò)程失控。

未來(lái)，凡是出廠預(yù)裝And roid7.×系統(tǒng)的手機(jī)新品都會(huì)以USBPD3.0作為標(biāo)準(zhǔn)，在PPS協(xié)議的影響下，手機(jī)上的USB接口將不允許通過(guò)非USB PD的快充協(xié)議調(diào)整電壓。至于品牌手機(jī)原有的舊快充技術(shù)，只要不違背原則就能在PPS的基礎(chǔ)上保持向下兼容。此外，USBPD3.0的出現(xiàn)還有利于智能手機(jī)將Micro USB接口全面過(guò)渡到USBType-C，而且標(biāo)配的數(shù)據(jù)線品質(zhì)也將出現(xiàn)極大的提升，用來(lái)承載超過(guò)3A的充電電流。

總之，今后無(wú)論你買(mǎi)的是OPPO、小米還是華為手機(jī)，通過(guò)支持USB PD3.0技術(shù)的充電器就都能對(duì)這些手機(jī)進(jìn)行快速充電（圖10）。正所謂“無(wú)數(shù)手機(jī)，一個(gè)對(duì)策！”

在EU SB PD的實(shí)際應(yīng)用上，不同類(lèi)型的設(shè)備可根據(jù)自身需求對(duì)電壓/電流進(jìn)行定制，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似25W、30W的充電，功率。此外，智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備所用的USB Type-C接口屬于細(xì)小型連接器，所以它們的供電能力最多只能達(dá)到60W。在實(shí)際的應(yīng)用中，智能手機(jī)通常會(huì)將USB PD限定在更穩(wěn)定的18W上下。

不要小看手機(jī)充電“大一統(tǒng)”的意義。要知道，減少資源浪費(fèi)、電子垃圾及保護(hù)環(huán)境免遭污染，是所有企業(yè)的社會(huì)責(zé)任。以往，手機(jī)廠商之間各自為戰(zhàn)，想使用快充技術(shù)就必須選擇匹配的充電器，既給用戶的選購(gòu)和使用帶來(lái)了麻煩，又有悖于企業(yè)的社會(huì)責(zé)任。因此，USB PD3.0的出現(xiàn)和普及有著非常重要的正面意義，理應(yīng)受到我們的關(guān)注和期待。