QC 和 PD:關(guān)于你所不知道的快充

發(fā)布時間:2019-12-09

當(dāng)我們使用支持 PD 或者 QC 快充協(xié)議的電源適配器給數(shù)碼設(shè)備充電時,你可能并不會意識到,快充標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了怎樣的漫長進(jìn)化之路。

運(yùn)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(jī)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(jī)補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)上一家獨(dú)大,但是快充標(biāo)準(zhǔn)卻很難有統(tǒng)一。

在所有的快充標(biāo)準(zhǔn)中,高通 QC 是最早形成、同樣也是影響力最大的第三方快充協(xié)議。

高通是最先注意到智能手機(jī)潛在的快充需求的廠商之一。借用驍龍 SoC 的先發(fā)優(yōu)勢,從 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(lǐng)域不能被忽視的玩家之一。

在 2012 年 1 月完成對 Summit Microelectronics 的收購之后,高通于 2013 年推出了第一版 QC 快充協(xié)議——QC 1.0。在 QC 快充最原始的 1.0 階段,高通的快充方案也顯得簡單粗放:直接使用 5V 2A 的 10W 充電功率。

通常而言,USB-IF(USB Implementers Forum,非盈利 USB 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的 2A。當(dāng)時 Android 機(jī)型普遍配備的 5 針 Micro-USB 的電流傳輸極限是 2A,而業(yè)界的共識是預(yù)留一定的余量以確保充電安全,所以絕大部分機(jī)型的正常充電電流為 1.5A,充電功率為 7.5W(5V 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(jī)的充電效率在 7.5W 的基礎(chǔ)上提升了 1/3。

隨著智能手機(jī)對快充需求的進(jìn)一步膨脹,QC 1.0 在 2014 年迎來了升級。

Micro-USB 的 2A 電流傳輸上限限制意味著高通無法再通過提高電流實(shí)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(jī)的輸入電壓增加到 4 檔,除了 5V 的標(biāo)準(zhǔn)電壓之外,還增加了 9V、12V、20V 三擋快充電壓,依然使用 Micro-USB 的 2A 上限電流,最大的充電功率理論上可以達(dá)到 40W。

QC 2.0 必須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(shè)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 DP(D+,Digital Positive)和 DM(D-,Digital Minus)兩腳數(shù)據(jù)端子通信,智能手機(jī)主動向 QC2.0 充電器申請高電壓輸入,在經(jīng)過確認(rèn)之后能夠?qū)⒆畲蟪潆婋妷禾岣叩?20V。

必須使用專用充電器的 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。

※ OPPO 在 Find 7 中采用的 VOOC 閃充實(shí)際上是改造了 Micro-USB 接口,將 Pin 增加到了 7 針,額外的兩根接觸針用于傳輸電流。所以,F(xiàn)ind 7 必須專用的 VOOC 閃充充電器和充電線。

雖然充電功率從 QC 1.0 的 10W 急速飆升到 40W,但是 QC 2.0 實(shí)際上依然非常原始。

由于手機(jī)內(nèi)部的鋰離子電池實(shí)際可接受的充電電壓為 4.35V(少部分手機(jī)的鋰離子電池充電電壓為 4.2V 和 4.4V),所以實(shí)際上,無論手機(jī) USB 接口的輸入電壓是 5V 還是 20V,手機(jī)內(nèi)部必須配備降壓電路將輸入電壓降至 4.35V。但是 20V 電壓在手機(jī)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(jī)充電溫度過高,極易發(fā)生燃爆風(fēng)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(jī)制(Intelligent Negotiation for Optimum Voltage,最佳電壓智能協(xié)商),從 3.6V 起步,結(jié)合實(shí)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(jìn)自適應(yīng)增降電壓,自動實(shí)現(xiàn)最佳充電功率的傳輸。

在已現(xiàn)雛形的 QC 3.0 的基礎(chǔ)上,高通于 2016 年 11 月發(fā)布了 QC 4.0,并僅僅于 7 個月之后的 2017 年 6 月快速更新到了 QC 4+。

先行發(fā)布的 QC4.0 采用了更精細(xì)的 INOV 機(jī)制,調(diào)幅步進(jìn)從 QC3.0 的 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%。劃重點(diǎn)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(jìn)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
  • 高級安全功能:同時監(jiān)控設(shè)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

至此,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。

早在 2012 年 7 月,USB-IF 就已經(jīng)發(fā)布了基于當(dāng)時普遍存在的 USB-A 和 USB-B 接口的 USB PD(USB Power Delivery)1.0 供電規(guī)范,描繪了 USB 3.0 和 USB 2.0 接口最高可達(dá) 100W 供電能力的美好想象,但是直到 USB-C 接口的出現(xiàn),這一想象才開始成為現(xiàn)實(shí)。

在高通 QC 2.0 版本發(fā)布的 2014 年,USB-IF 同時發(fā)布了 PD 2.0 協(xié)議以及其載體——USB Type-C 1.0 接口標(biāo)準(zhǔn)。與 Micro-USB 相比,USB-C(USB Type-C)接口最大支持 20V 5A 的電力傳輸,天然更適合快充。但是由于此時 USB-C 接口并非智能手機(jī)主流接口,所以高通 QC 協(xié)議為首的第三方快充協(xié)議依然是市場主流。甚至在 2017 年 2 月 USB-IF 發(fā)布基于 PD 2.0 協(xié)議優(yōu)化的 PD 3.0 協(xié)議時,各種第三方快充協(xié)議占地稱王的局面也沒有明顯改善。

直到 2017 年 5 月 USB-IF 推出 USB PD 3.0 協(xié)議的 PPS(Programmable Power Supply,可編程電源供應(yīng))規(guī)范,才最終標(biāo)志了快充標(biāo)準(zhǔn)的最終統(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(xué)習(xí) QC 4+ 的 INOV 引入了 20mV 調(diào)幅步進(jìn)自適應(yīng)調(diào)整電壓的機(jī)制。不過這并非 PPS 的全部,PPS 規(guī)范中影響最大的一點(diǎn)是,USB-IF 利用自己規(guī)則制定者的身份,強(qiáng)行定義了 USB 接口不允許以 USB PD 以外的協(xié)議實(shí)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(yù)充電(小電流)、恒定電流快速充電(大電流)、恒定電壓充電(電流由大變小直至充電完成),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,無疑是對高通們的最終通牒。

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(rèn) 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王國里仿照蘋果 MFi 向配件廠商(或者說用戶?)收取授權(quán)費(fèi)。

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