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企業新聞
USB Type C接口的充電功能
2022-10-21

隨著Type-C接口在手機、電腦等便攜設備上普及,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充電器能給手機充電嗎?

3. PD充電?Type-C充電?有什么區別?

要解答以上幾個問題,就得了解一下基本設計了。

快充 VS 慢充

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

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

在沒有充電協議的加持下,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接口的硬件設計規范,那么這樣的設計最大提供 4.5W的充電功率。

使用USB Type-A Plug 轉USB Type-C Plug的連接線給手機充電。

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

Type-C接口規定,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cc分壓即可確定Power Source端的供電能力。

一般來說,Type-A Plug轉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,那么即使轉接線Type-C Plug端Rp聲明為 5V@3A,也沒法給手機最大提供5V@3A的充電功率,還有可能損壞充電頭。

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

這就是Type-C充電,屬于硬件設計規范。

快速充電

實際上,不管是Type-C接口,還是Micro USB接口,都出現過支持超過硬件接口設計規范充電功率產品。

這些都是快充協議的功勞,而且大都是利用轉接線中的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,設計的通訊協議而已。這種協議屬于私有協議,各家設計均不相同,詳細協議此文不作介紹。

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

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

關于手機的快充,有三點是關鍵。充電頭、充電線、充電設備。

以某手機為例,支持最新的FCP快充協議,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。充電電壓達到11V,充電電流最大達到6A。

連接充電后,首先充電頭端會發起FCP快充識別協議,同時充電線的接頭里面也設計有識別IC。當充電頭通過FCP協議正確識別了手機和充電線后,手機充電才會進入超級快充。

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

當使用的充電頭,或者充電線不是原裝的,都只能實現普通充電模式。手機同時支持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協會設計并推廣的一種快充協議,以解決移動電子設備快充協議混亂的局面。當前PD3.1協議可以最大支持 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協議實現的。

PD協議是在Configuration Channel上實現的,即下圖中的A5或者B5。

USB Type-A轉 USB Type-C充電線中是沒有cc通訊的。

如下圖,當充電設備通過USB-C to USB-C的充電線連接后,雙方的cc都會連接。

經過Power Negotiate后,充電器端會提高供電電壓或者電流,以實現快充。

圖片來源于USB協會官網開源技術文檔

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端發送Source Capability(包含1-4組Power Level)

2. Power Sink根據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。

當然,PD協議不僅僅會完成Power Negotiate,還會繼續完成AltMode配置,實現DP、TBT、USB4、PCIe 等高速協議的通道配置。

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快充協議。

一個USB-C口就可以實現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快充協議,其對外有 4 組供電等級聲明。

那么用它對手機充電時,手機請求合適的充電等級即可。

多協議兼容

私有協議各有優勢,但是互不兼容。當Power Source端和Power Sink端的快充協議不一致,那么就猶如雞同鴨講,無法實現快充了。

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

通信協議實質上就是一定規則的電平變化,那么使用軟件配合 MCU 必然可以實現多協議兼容。如果Power Source端或者 Power Sink 端采用了多協議解碼器,就如同學習了多門“方言”。不管是“廣東話”還是“陜西話”,協議解碼器都能“說” 或者 “聽”。

芯??萍坚槍Χ鄥f議充電推出完整的解決方案。

CS32G020系列是芯??萍纪瞥龅闹С諹SB Type-C和PD3.0協議的USB Type-C控制器,可應用于PC電源適配器、手機充電器、移動電源、車充、HUB 等領域。 

CS32G020內嵌 ARM? Cortex?-M0 內核,主頻最高 48MHz,可以支持很廣范圍的工業控制應用和需要高性能 CPU 的場合。內置 64K 字節程序flash,數據flash 大小可配置(與程序flash共享) ,4K 字節 LDROM,8K 字節 SRAM。CS32G020 封裝包括 QFN24 和 QFN32。

CS32G020支持PD、QC4.0、SCP、FCP、AFC等快充協議。

此外,芯海旗下可適用電源PD快充應用的典型芯片有CSU3AF10、CPW3301等多款產品。

CSU3AF10是一款廣泛適用于移動電源、儲能電源、無線充、車充等應用領域的通用型、單通道PD快充控制器,內嵌MCU,主頻最高24MHz,內置64KB Flash,是CS32G020的精簡版本,在保留相應的核心功能基礎上,新增了USB PD3.1、UFCS等協議的支持。

CPW3301是一款適用于充電器、適配器等應用領域的高性能、高集成度的Type-C PD控制器,可用于USB-A 和TYPE-C雙端口輸出的快充協議IC,集成恒壓、恒流、以及恒溫控制環路,集成高精度的電流采樣和電荷泵電路。

芯??萍嫉腜D快充芯片內置MCU架構與私有協議PHY,擁有性能強大、功能全面、功耗低及強加密的安全措施。同時,芯海完善的Smart PD開發生態,具有檢測精度高、資源豐富、協議靈活與兼容性好、豐富的參考資料、高效易用的開發工具等優勢,能夠為終端電源產品提供全方位解決方案。


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