USB Type C接口的充電功能介紹

隨著Type-C接口在手機(jī)、電腦等便攜設(shè)備上普及，日常使用中或許會遇到如下問題。

1. 為什么這個Type-C充電器充電這么慢？
2. 電腦的Type-C充電器能給手機(jī)充電嗎？
3. PD充電？Type-C充電？有什么區(qū)別？

要解答以上幾個問題，就得了解一下基本設(shè)計了。

快充 VS 慢充

普通充電，使用USB Type-A Standard接口轉(zhuǎn)USB Type-B Micro接口的連接線給手機(jī)充電。

充電頭端的USB Type-A Receptacle作為電源輸入端，連接手機(jī)端的USB Type-B Micro接口作為電源輸出端。

在沒有充電協(xié)議的加持下，充電器最大只能對外提供5V@900mA（USB3.0 是 900mA，USB2.0是500mA）的充電功率。

這是USB Type-A/B接口的硬件設(shè)計規(guī)范，那么這樣的設(shè)計最大提供 4.5W的充電功率。

使用USB Type-A Plug 轉(zhuǎn)USB Type-C Plug的連接線給手機(jī)充電。

充電頭端的USB Type-A Receptacle作為電源輸入端，連接手機(jī)端的USB Type-C接口作為電源輸出端。

Type-C接口規(guī)定，Power Source端供電能力取決于cc上的Rp電阻。

Power Sink端cc下拉Rd=5.1K，根據(jù)cc分壓即可確定Power Source端的供電能力。

一般來說，Type-A Plug轉(zhuǎn)Type-C Plug的連接線，Type-C端的Rp會聲明其支持5V@3A的供電，但是得配套專用的充電頭。

由于轉(zhuǎn)接線和充電頭可能不是配套的。如果充電頭端的USB Type-A Receptacle只能提供5V@900mA，那么即使轉(zhuǎn)接線Type-C Plug端Rp聲明為 5V@3A，也沒法給手機(jī)最大提供5V@3A的充電功率，還有可能損壞充電頭。

在沒有充電協(xié)議的加持下，Type-C轉(zhuǎn)接線最大可以支持 5V3A的充電功率，即最大15W的充電功率。

這就是Type-C充電，屬于硬件設(shè)計規(guī)范。

快速充電

實際上，不管是Type-C接口，還是Micro USB接口，都出現(xiàn)過支持超過硬件接口設(shè)計規(guī)范充電功率產(chǎn)品。

這些都是快充協(xié)議的功勞，而且大都是利用轉(zhuǎn)接線中的USB2.0 D+/-兩個線完成通訊。

注意，這里的通信不是USB通信，只是利用D+/-兩根線，設(shè)計的通訊協(xié)議而已。這種協(xié)議屬于私有協(xié)議，各家設(shè)計均不相同，詳細(xì)協(xié)議此文不作介紹。

但是，快充的原理都是通過私有協(xié)議協(xié)商后，充電器端會提高充電電流或者充電電壓，以滿足設(shè)備快充。

手機(jī)市場巨大，各家雖然都采用同樣的Type-C接口作為充電接口，但是基本都設(shè)計了自家的私有快充協(xié)議。

關(guān)于手機(jī)的快充，有三點是關(guān)鍵。充電頭、充電線、充電設(shè)備。

以某手機(jī)為例，支持最新的FCP快充協(xié)議，在使用原裝充電器和充電線的情況下，最大支持66W充電，就是所謂的超級快充。充電電壓達(dá)到11V，充電電流最大達(dá)到6A。

連接充電后，首先充電頭端會發(fā)起FCP快充識別協(xié)議，同時充電線的接頭里面也設(shè)計有識別IC。當(dāng)充電頭通過FCP協(xié)議正確識別了手機(jī)和充電線后，手機(jī)充電才會進(jìn)入超級快充。

為了實現(xiàn)66W超級快充，充電線材需要承受6A的大電流，因此必須設(shè)計一個識別 IC，防止使用普通線材發(fā)熱起火（充電線接口也設(shè)計為橘黃色和普通線材做出區(qū)分）。

當(dāng)使用的充電頭，或者充電線不是原裝的，都只能實現(xiàn)普通充電模式。手機(jī)同時支持PD快充，顯示為快速充電。原裝充電器加充電線才會顯示為超級快充。

這就是為什么充電器或者充電線不原裝的話，充電速度很慢的原因。

PD快充

PD全稱Power Delivery，是USB-IF協(xié)會設(shè)計并推廣的一種快充協(xié)議，以解決移動電子設(shè)備快充協(xié)議混亂的局面。當(dāng)前PD3.1協(xié)議可以最大支持 240W的充電功率，幾乎涵蓋了所有的移動電子設(shè)備。

支持PD快充，必須采用USB-C to USB-C的連接線，因為PD快充是基于PD協(xié)議實現(xiàn)的。

PD協(xié)議是在Configuration Channel上實現(xiàn)的，即下圖中的A5或者B5。

USB Type-A轉(zhuǎn) USB Type-C充電線中是沒有cc通訊的。

如下圖，當(dāng)充電設(shè)備通過USB-C to USB-C的充電線連接后，雙方的cc都會連接。

經(jīng)過Power Negotiate后，充電器端會提高供電電壓或者電流，以實現(xiàn)快充。

圖片來源于USB協(xié)會官網(wǎng)開源技術(shù)文檔

PD在Power Negotiate上比較簡單。如下是筆記本電腦的Type-C接口上的cc 通訊。

1. Power Source端發(fā)送Source Capability（包含1-4組Power Level）
2. Power Sink根據(jù)自身需求請求一組合適的Power Level
3. Power Source安裝 Power Sink請求提升電壓，設(shè)置限流閾值即可

抓取PD通信波形，以及Vbus變化情況，如下圖。

當(dāng)然，PD協(xié)議不僅僅會完成Power Negotiate，還會繼續(xù)完成AltMode配置，實現(xiàn)DP、TBT、USB4、PCIe 等高速協(xié)議的通道配置。

筆記本的充電需求一般在45W-90W，因此Type-C接口就是第一選擇，同時支持 PD快充協(xié)議。

一個USB-C口就可以實現(xiàn)USB+DP+PD全功能。

顯然筆記本電腦使用的 Type-C充電器也采用了PD快充協(xié)議，其對外有 4 組供電等級聲明。

那么用它對手機(jī)充電時，手機(jī)請求合適的充電等級即可。

多協(xié)議兼容

私有協(xié)議各有優(yōu)勢，但是互不兼容。當(dāng)Power Source端和Power Sink端的快充協(xié)議不一致，那么就猶如雞同鴨講，無法實現(xiàn)快充了。

事實上，私有快充協(xié)議不兼容問題已經(jīng)有工程師提出了解決方案，那就是多協(xié)議解碼器。

通信協(xié)議實質(zhì)上就是一定規(guī)則的電平變化，那么使用軟件配合 MCU 必然可以實現(xiàn)多協(xié)議兼容。如果Power Source端或者 Power Sink 端采用了多協(xié)議解碼器，就如同學(xué)習(xí)了多門“方言”。不管是“廣東話”還是“陜西話”，協(xié)議解碼器都能“說” 或者 “聽”。