傳統上,所有的手機充電器都遵循USB電池充電規範1.2版本的標準,該規範允許手機透過標準micro-B連接器以5V電壓充電。後來,許多公司開始制定不同的標準以改善充電時間,不幸的是,他們這樣做並沒有考慮不同標準間的相容性,現在市場上充斥著各種充電標準,包括USB電力傳輸(Power Delivery;PD)3.0、快充(Quick Charge;QC)4.0和自我調整快速充電(AFC)等,每一種標準都按照自己的進度發展,並具有自己獨特的功能。例如,PD 3.0提供可程式設計電源(PPS),這個功能在PD 2.0還不具備。同樣,高通(Qualcomm)QC 4.0已取代了QC 2.0和3.0。

由於智慧型手機全天使用量的增加而需要更頻繁地充電,除了手機購買時配備的充電器以外,人們一般都擁有至少一個額外的充電器。有必要了解手機與額外充電器之間相容性的重要性,例如,用iPhone充電器為三星(Samsung)手機充電,與使用原廠附加的三星AFC充電器相比,充電時間更長,反之亦然。

鑒於各種充電標準和智慧型手機種類繁多,OEM如果能設計基於可程式設計解決方案的充電器將十分有利,這種可程式設計解決方案將能夠迅速適應不同的標準及其相關變化,而無需進行重大的重新設計。

可互用性的挑戰

各種充電標準和專有解決方案已經為消費者帶來了很多麻煩。一台設備的充電器可能無法用於另一台設備,這導致人們無奈地為每台設備購買互不相容的充電器,以下總結了目前採用的幾大充電標準。

USB電池充電1.2版本

USB BC 1.2標準定義了三種主要類型的充電埠:

標準下行埠(SDP):這是大多數桌上型電腦和筆記型電腦中廣泛使用的傳統USB 2.0資料埠,SDP可在埠電壓5V下提供500mA的最大電流。

充電下行埠(CDP):這是符合主機或集線器USB 2.0定義的下行埠。除了支援資料通訊外,CDP還可以在埠電壓5V下提供高達1.5A的電流。

專用充電埠(DCP):這是一種下行埠,透過USB連接器在5V電壓下提供高達1.5A的電流,但缺乏擴展為USB 2.0資料埠的能力,它利用D+和D-訊號之間的短接來辨識。

上述三種充電埠,其功率均限制為7.5W,這限制了智慧型手機的充電速度。為克服這個問題,高通、三星和蘋果(Apple)等公司各自發明了其專有充電協議,以縮短其各自智慧型手機的充電時間。

QC 2.0、3.0和4.0

QC標準由高通開發。QC 2.0僅支援5V、9V、12V和20V四種固定電壓,QC 3.0允許輸出電壓在3.3V~20V之間以200mV為步進調節,設備可透過設置D+和D-端子來請求所需電壓。

表1顯示了QC 2.0/3.0的不同電壓模式。

20191016TA31P1-1 表1 QC 2.0/3.0電壓模式。

在QC 3.0連續操作模式中,遞增和遞減命令隨D+和D-上的一系列中的一個或多個脈衝訊號發送,以便每個脈衝以200mV步進向上或向下調節匯流排電壓(VBUS),這些遞增或遞減請求分別作為D+線上的上升緣脈衝或D-線上的下降緣脈衝訊號發送。

QC 4.0是高通開發的最新標準,其定義符合USB Type-C和USB PD 3.0規範。它還實現了可程式設計電源,並支持以20mV步進在3.3V~21V範圍內調節VBUS。其調節命令透過CC線發送,這是USB Type-C標準中導入的新訊號,而不是QC 2.0和3.0中使用的D+和D-線。

Apple Charging

Apple Charging是蘋果專為iPhone和iPad開發的充電標準,它提供三組端子:Brick ID 1 A、Brick ID 2.1 A和Brick ID 2.4 A。VBUS在5V電壓下是靜態的,其電流變化基於充電器的端子設置。

20191016TA31P1-2 表2 Apple Brick ID端子。

AFC

AFC是三星的專有充電標準,它在與設備進行初始連接時遵循USB BC 1.2 DCP檢測機制。AFC介面構成的實體層(PHY)促成D-線上的雙向通訊。該協定為每個設定檔分配一個位元組,以傳遞充電器支援的電壓和電流值。例如,如果充電器支持三個設定電壓(例如5V、9V和12V),就使用三個位元組將電壓和電流值傳遞給設備,然後設備將向充電器連續三次請求新的電壓/電流。

USB作為一種通用連接器,使人們的生活變得輕鬆一些,然而,由於充電技術的不同,USB仍然被人為分割,而透過設計具互用性的電池充電器,USB可以回歸其本源。且由於採用單一硬體架構滿足了各種充電標準的要求,這種充電器為OEM提供了更大的靈活性。

進入USB Type-C和USB PD時代

為了克服各種不相容充電標準帶來的挑戰,大多數製造商現在均採用支援新USB PD的USB Type-C連接器,意在統一充電標準。USB Type-C是一種可逆連接器,從兩面都可插入(即支援正反插),它解決了USB Type-A和USB Type-B連接器總是插不準這個最令人煩惱的問題。它是一款尺寸僅為8.4毫米(0.33英吋)×2.6毫米(0.10英吋)的纖薄連接器,完美適用於超薄筆記型電腦、平板電腦和手機。

當所有可攜式設備和附加的電源連接器統一標準化,定為USB Type-C後,人們只需攜帶最少的充電器和電纜即可實現充電。一個內建USB Type-C線纜的充電器可以為手機、筆記型電腦、平板電腦和其他可攜式設備充電,一勞永逸地避免了各種混淆與不相容性。

USB PD

USB PD是在USB Type-C介面上進行電源傳輸的新USB標準之一。它可提供高達100瓦的功率,VBUS匯流排電壓/電流高達20V/5A。USB PD 2.0可支援從5V~20V範圍內的固定電壓波動,而下一代PD 3.0除支援PD 2.0的功能外還支援在3.3V~21V之間以20mV為步進的可程式設計電壓。

USB PD採用兩條通訊通道(CC)線,CC1和CC2,用於協商充電器(電力提供者)和設備(電力消耗者)之間的電力傳輸協議。電力提供者將Source Capabilities消息傳遞給電力消費者。作為回應,消耗者基於其功率要求返回Request消息。提供者在接受請求後達成明確的協定,並設置所需的電壓;這個過程被稱為「電力傳輸協商」,協商過程使用USB PD規範中所定義的PD消息。

為了說明不同充電標準之間的不相容性,以及對通用標準的需求,本文使用幾款流行的智慧型手機進行了一系列測試,包括Google Pixel 2 XL、iPhone 7和三星Galaxy S8手機及其相關的快速充電器。

圖1~3分別顯示了三支手機的電池電量百分比與充電時間。

20191016TA31P1 圖1 Google Pixel 2 XL充電時間。

20191016TA31P2 圖2 iPhone 7電池充電時間。

20191016TA31P3 圖3 三星Galaxy S8充電時間。

測試結果顯示一些有趣的事實和預期的結果:

·這些充電器不支援所有充電標準;

·要減少特定手機的充電時間,需要一個支援相容各充電標準的充電器。

儘管將所有手機和充電器標準化為通用USB PD標準是未來必然的趨勢,但大量不相容的設備仍將存續好幾年。因此,可程式設計充電解決方案應運而生,它可以用來處理新舊標準共存的問題。

借助可程式設計解決方案,開發人員無需修改硬體即可實施不同的充電標準,同時不會影響消費者的電池充電時間。必要時,其可程式設計性還有助於實現現場解決方案更新,以跟上所有充電標準的變化步伐。

電池充電器系統最重要的元件包括:電源轉換器、USB PD控制器和USB Type-C插座。

設計通用手機充電器

如果充電器中的USB PD控制器是可程式設計,則手機充電器亦可程式設計。這種USB PD控制器包含處理器和用於執行和儲存韌體的快閃記憶體,以及透過韌體配置的硬體元件,如計時器、ADC、GPIO和通訊模組,圖4顯示了通用的可程式設計充電器實現框架圖。

20191016TA31P4 圖4 可程式設計電池充電器的實現框架圖。

採用可程式設計控制器設計的充電器可以輕鬆升級/定制以支援最新的USB PD 3.0和一系列傳統充電標準,從而縮短充電器製造商的產品上市時間並避免對消費者造成的困惑。採用這種充電器,用戶只需要一個充電器即可在盡可能短的時間內為他/她的任何行動設備充電。與此同時,OEM也將得益於採用單一硬體架構即可滿足各種充電標準帶來的靈活性。這將簡化設計、減少庫存、降低成本,同時提升盈利能力。

(參考原文: Designing interoperable battery chargers,by Anshul Gulati)

本文同步刊登於EE Times Taiwan 10月號雜誌