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快充協(xié)議是充電器與設(shè)備溝通握手所需的“語(yǔ)言”，只有正確“對(duì)話”后，才可以“握手”成功，進(jìn)行快速充電。我們一步一步來(lái)看不同的快充協(xié)議是怎樣工作的。
一、舊式快充協(xié)議
幾年前快充協(xié)議十分簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單到類似交通信號(hào)燈，幼兒園小朋友都可以通過(guò)顏色判斷信號(hào)含義。設(shè)備與充電器不需要很“聰明”就可以讀懂雙方的需求，不管是研發(fā)難度還是物料成本都簡(jiǎn)單便宜。而快充協(xié)議的紅綠燈，則是采用D+D-電壓進(jìn)行信息傳輸。
舊式快充協(xié)議都是使用USB2.0通訊接口，常見(jiàn)于USB-A接口。圖片中是一個(gè)在移動(dòng)電源上的USB-A輸出母座，可以看到他與主板連接的只有四個(gè)引腳，其中兩側(cè)是用于傳輸電流的VCC、GND引腳，中間的是用于傳輸數(shù)據(jù)的D+、D-引腳。D+D-的“D”是數(shù)據(jù)Data的意思，充電端與接受電力的設(shè)備之間通過(guò)D+D-進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，進(jìn)而握手快充協(xié)議。
我們?cè)賮?lái)看看數(shù)據(jù)線，一般來(lái)說(shuō)USB2.0數(shù)據(jù)線USB-A接口上只有4個(gè)觸點(diǎn)，與USB-A母座定義相同，最外面兩個(gè)是用來(lái)傳輸電流的，中間兩個(gè)是用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的。VCC、GND較長(zhǎng)，D+D-較短，那是故意設(shè)計(jì)，為了拔出時(shí)先斷開(kāi)數(shù)據(jù)連接，后斷開(kāi)電力供給。
1、蘋果2.4A
在大家都是5V充電的年代，iPhone直接充電只有5W，需要充電器有特殊的識(shí)別電阻才可以獲得更大充電功率。圖中PCB左邊是兩個(gè)USB-A輸出口的焊盤，共用了一顆支持雙路智能識(shí)別的協(xié)議芯片，iPhone插入后，協(xié)議芯片調(diào)整USB-A接口的D+D-電壓為2.7V/2.7V，提供蘋果 2.4A的識(shí)別。而最右邊的USB-A接口，則是簡(jiǎn)單地將D+D-直接連起來(lái)短接，提供DCP 5V1.5A的輸出識(shí)別。
通過(guò)POWER-Z測(cè)試儀監(jiān)測(cè)iPhone 8 Plus的充電，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前D+D-電壓為2.66V/2.65V，接近蘋果2.4A識(shí)別協(xié)議的2.7V/2.7V，iPhone 8 Plus進(jìn)入蘋果2.4A充電模式，功率達(dá)到12W。
2、QC2.0
進(jìn)入QC2.0高壓快充年代后，USB-A接口不再是簡(jiǎn)單的5V輸出，而是可以升壓至9V甚至12V電壓獲取大功率電力傳輸，這存在一定危險(xiǎn)，什么情況才需要升壓而不會(huì)燒壞設(shè)備？所以QC年代智能識(shí)別芯片做出了較大的進(jìn)化，包含了多種不同快充協(xié)議，QC、FCP、AFC等等，同樣是通過(guò)控制D+D-電壓來(lái)進(jìn)行輪詢判斷。例如QC2.0快充需要輸出9V的話，D+D-電壓就是3.3V/0.5V，需要輸出12V的話，D+D-電壓就調(diào)節(jié)為0.5v/0.5v，沒(méi)有反饋就不進(jìn)行升壓，保持5V輸出確保安全。
3、聯(lián)發(fā)科PE
如果說(shuō)QC2.0基于D+D-電壓進(jìn)行通訊的方式類似紅綠燈的話，魅族手機(jī)采用的聯(lián)發(fā)科PE快充則是類似打電報(bào)的摩爾密碼，嘀——嘀嘀嘀——嘀嘀——嘀嘀嘀——嘀——嘀——這樣進(jìn)行通訊。PE快充不需要D+D-數(shù)據(jù)傳輸，甚至只有VCC GND的兩芯數(shù)據(jù)線都可以成功使用并觸發(fā)PE快充，并且PE的電流脈沖信號(hào)近乎于無(wú)損數(shù)字傳輸，不會(huì)像D+D-那樣出現(xiàn)電壓值誤差無(wú)法觸發(fā)快充的情況。
圖中是POWER-Z USB測(cè)試儀抓取到魅族觸發(fā)PE快充時(shí)的電流脈沖，可以看到電流的通斷與間隔就像打電報(bào)一樣進(jìn)行信息傳遞，信息傳遞握手正確后，充電器輸出電壓從5V跳至7V再跳至9V。但PE快充太少眾，市場(chǎng)占有率低沒(méi)有話語(yǔ)權(quán)，配件選擇面也少，甚至現(xiàn)在連魅族新機(jī)型都不再支持PE快充，這就是題外話了。
二、USB PD高級(jí)通訊協(xié)議
在進(jìn)入U(xiǎn)SB PD快充時(shí)代后，充電器與數(shù)碼產(chǎn)品的物理接口從USB-A口全面過(guò)渡到USB-C接口，USB-C接口擁有更多的Pin腳，支持更高的電力傳輸上限，并且完全不同于以往簡(jiǎn)單的D+D-識(shí)別，而是智慧式數(shù)據(jù)包雙向溝通的手段進(jìn)行更加復(fù)雜的通訊。如果說(shuō)舊式快充協(xié)議是幼兒園學(xué)生看紅綠燈過(guò)馬路的話，USB PD快充協(xié)議就是兩個(gè)成年人在進(jìn)行微信聊天這種復(fù)雜程度。
我們來(lái)先看看接口的區(qū)別，USB-C物理接口滿pin形態(tài)高達(dá)24個(gè)針腳，但用于充電不管多大功率，都只要USB2.0形態(tài)的12個(gè)針腳就足夠了，滿pin多出來(lái)的針腳是用于跑USB3.0/3.1/3.2/雷電等高速數(shù)據(jù)的，與充電無(wú)關(guān)，下面我們重點(diǎn)介紹一下USB2.0標(biāo)準(zhǔn)pin腳的USB-C接口。
可以看到USB-C用于電力傳輸?shù)腣BUS、GND一共有兩對(duì)也就是4根針腳，除了支持正反面盲插外，多了一倍的針腳讓他可以支撐更大功率的電力傳輸。在接口的中間可以看到D+D-這兩個(gè)USB-A標(biāo)準(zhǔn)上的針腳，所以USB-C可以向下兼容數(shù)據(jù)通訊。而USB PD最關(guān)鍵的是CC針腳，CC線是USB PD快速充電標(biāo)準(zhǔn)用于信息交換的通道，沒(méi)有CC針腳的話就無(wú)法進(jìn)行PD快充。一些魔改USB-A口，雖然形態(tài)是A口，但中間新增了一根針腳CC線，所以可以在A口上跑USB PD協(xié)議。
USB-C通訊采用可編程語(yǔ)言進(jìn)行雙向通訊，需要用到高性能USB PD控制器，芯片體積、針腳數(shù)量、復(fù)雜程度都遠(yuǎn)超QC年代的協(xié)議芯片。下面我們通過(guò)POWER-Z USB測(cè)試儀抓取充電器與手機(jī)之間的通訊包，看看在充電過(guò)程中發(fā)生了什么事情。
1、PD2.0
USB PD快速充電標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到PD 3.0，數(shù)字越大的版本所支持的功能越多，我們先看看PD2.0。PD2.0快充支持固定電壓檔切換，可以根據(jù)充電器廣播選擇需要的固定電壓。POWER-Z USB測(cè)試儀上可以看到，設(shè)備與充電器通訊后從5V3A跳轉(zhuǎn)到了9V3A這個(gè)電壓檔進(jìn)行充電。
我們?cè)偻ㄟ^(guò)POWER-Z電腦端APP抓包看看，信息端口欄目分別是兩個(gè)方向的傳輸，Source—>Sink、Source<—Sink。其中Source—>Sink是代表發(fā)射端向接收端發(fā)出的通訊，例如充電器對(duì)手機(jī)，Source<—Sink是接收端反饋信息給發(fā)射端，例如手機(jī)對(duì)充電器，搞懂了方向那我們接下來(lái)就能看懂他們之間的通訊方式。
USB PD通訊流程我們以PD 2.0充電器作為舉例，線纜插上后供電端與設(shè)備并不是立刻開(kāi)始充電，而是先打招呼，充電器進(jìn)行廣播PDO電壓，充電器告訴手機(jī)，我支持5V2.4A / 9V3A / 15V3A / 20V2.25A四個(gè)固定電壓輸出。
手機(jī)接收到PDO廣播信息后，先是反饋給充電器，告知需要5V2.4A這個(gè)電壓檔，充電器收到反饋后回復(fù)手機(jī)，電力已經(jīng)調(diào)整至5V2.4A。之后手機(jī)充電器再互相通訊，手機(jī)請(qǐng)求調(diào)整輸出電壓至9V2A，充電器告知請(qǐng)求已經(jīng)收到，正在調(diào)整至9V2A，這樣完成一個(gè)通訊階段。
2、PD 3.0 PPS
PD3.0 PPS與PD2.0相比原理接近，多了PPS電壓子集。PPS電壓子集是一組以0.02V跨度為調(diào)整幅度的供電電壓集，可以精細(xì)地進(jìn)行電壓微調(diào)，讓電荷泵快充、直充變成可能。
PD 3.0 PPS插入線纜后，充電器向手機(jī)發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)包（PDO廣播），告訴手機(jī)我是一個(gè)充電器，擁有5V3A / 9V3A / 12V3A / 15V3A / 20V2.25A四個(gè)固定PDO與5-11V3A / 5-16V3A兩組PPS。手機(jī)接收到這個(gè)廣播后，對(duì)充電器反饋信息，請(qǐng)求輸出5V3A電壓。充電器接受到電壓調(diào)整請(qǐng)求，并告知手機(jī)已經(jīng)調(diào)整OK，手機(jī)反饋說(shuō)已經(jīng)做好充電準(zhǔn)備，開(kāi)始5V3A進(jìn)行充電。
在充電的途中，手機(jī)發(fā)出信息告知充電器，我需要調(diào)整電壓，請(qǐng)求將輸出電壓調(diào)整至8.66V3A，充電器接收到電壓調(diào)整請(qǐng)求，將輸出從5V3A調(diào)整至8.66V3A。之后手機(jī)每秒發(fā)送多次調(diào)整電壓指令，每次都告知充電器將電壓下調(diào)0.02V，充電器也如實(shí)進(jìn)行調(diào)整。
在經(jīng)過(guò)了五百多次的通訊進(jìn)行電壓微調(diào)后，最終穩(wěn)定在了7V3A這一個(gè)電壓進(jìn)行充電，以達(dá)到充的快溫升低的目的，這就是PPS快充協(xié)議的通訊過(guò)程。
三、私有協(xié)議
1、全私有協(xié)議
某些廠家會(huì)對(duì)部分設(shè)備開(kāi)發(fā)私有快充協(xié)議，在通訊過(guò)程中加密了信息流，用戶想要獲得最佳充電體驗(yàn)只能使用原廠配件。這種做法一來(lái)是因?yàn)槟壳暗臉?biāo)準(zhǔn)無(wú)法滿足廠家需求，例如USB PD上限只有20V5A 100W，二來(lái)可以建設(shè)私有配件生態(tài)圈，足夠的利潤(rùn)支撐技術(shù)研發(fā)達(dá)到良性發(fā)展，這么做無(wú)可厚非。
2、半私有協(xié)議
部分廠商則是采用半私有協(xié)議，例如三星45W AFC快充，基于PD3.0 PPS開(kāi)發(fā)的快速充電協(xié)議進(jìn)行微調(diào)修改，因?yàn)槲催M(jìn)行加密，所以市面上部分第三方配件也可以通用，用戶選擇配件范圍較大。
四、USB-C接口統(tǒng)一對(duì)快充的好處？
多年前接口未統(tǒng)一時(shí)，存在Micro USB、Mini USB、異形排針、DC圓口等多種不同接口，就連供電電壓都存在差異，混沌的亂象阻礙著發(fā)展。USB-C好比燈泡卡座，淘汰其他接口大統(tǒng)一為USB-C接口標(biāo)準(zhǔn)，讓萬(wàn)千設(shè)備均處以相同標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行，相同的物理接口，相同的通訊標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)商技術(shù)研發(fā)不再需要為各種標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)不同規(guī)格產(chǎn)品，快充技術(shù)得到飛速發(fā)展，用戶作為消費(fèi)者也在享受USB-C大統(tǒng)一的便利。
USB-C是燈泡卡座的話，充電器就好比燈泡，基于USB-C標(biāo)準(zhǔn)而制造的充電器誕生出18W、30W、45W、65W、100W以及未來(lái)更大功率，用戶可以根據(jù)自己需求選擇不同功率的產(chǎn)品使用，無(wú)需擔(dān)心接口問(wèn)題。
總結(jié)
這次為大家介紹了部分快充協(xié)議的工作方式與原理，相信看完大家都會(huì)有所了解。對(duì)于手機(jī)、筆記本等設(shè)備來(lái)說(shuō)，快充協(xié)議必不可少，沒(méi)有快充協(xié)議支撐的話充電功率會(huì)受限在非常低的功率，得益于USB-C統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)讓快充全面普及，不管是入門機(jī)型還是旗艦產(chǎn)品都支持快充，不同消費(fèi)層用戶都可以享受快充帶來(lái)的樂(lè)趣。
