快充技術“大統一”

淺析USB PD3.0充電技術

雖然驍龍835、麒麟970、聯發科HeIi0 X30等新一代10nm旗艦級處理器會繼續打破當前手機處理器的性能記錄，但不可否認的是：對絕大多數消費者以及我們最常使用的APP來說，哪怕是驍龍625、HeIio P20級別的處理器就已經極為優秀了。在手機性能相對過剩的今天，源于待機續航方面的瓶頸已是重中之重。

如今智能手機的發展趨勢就是更加輕薄的機身，增加屏占比換取更為震撼的視覺沖擊力（圖1）。在這種設計思路下，手機體內留給安置電池的空間也就變得越來越小，在電池技術（能量存儲密度）沒有太大的突破前，想塞進更大容量的電池，就只有犧牲厚度、重量和屏占比這些影響顏值的參數了。

由于Galaxy S8壓縮了上下邊框的寬度，并將指紋識別模塊移到了手機背面。所以它在增加屏幕面積的同時，體積和Galaxy S7相比并沒有太大的變化，保持電池容量不變自然是出于安全上的考量。

當然，通過優化機身內部結構，也是有機會在保持“性感”設計的同時配備更大容量的電池。以三星Galaxy Note7為例，它和上一代Galaxy Note5同樣是5.7英寸屏幕，而且還采用了曲面屏幕和防水功能等“浪費空間”的結構設計，但它內置的電池容量依舊從Note5的3000mAh提升到了3500mAh（圖2），從而獲得了更理想的續航表現。

然而，正是因為GalaxyNote7采用了激進的設計，導致更大容量的新電池超出了原先的保護能力（圖3），最終讓這款機皇因“爆炸門”事件而匆匆退市。由此可見，想讓智能手機保持苗條身材與更大電池兼顧的設計存在風險。受Note7的影響，未來更多的手機廠商也將在電池容量的取舍上做出讓步。還是以三星為例，即將上市的Galaxy S8雖然采用了更大的5.7英寸屏幕，但它的電池預計卻和5.1英寸的GalaxyS7相同都是3000mAh，由此不難說明問題。

在鋰電池技術沒有太大的革新之前，智能手機的電池注定保持在一個合理的容量上。在這種大環境下，增加手機充電功率，減少手機充電所需等待的時間，就是一種改善續航的“曲線救國”方案了（圖4）。類似“通電5分鐘，通話2小時”的廣告語，就是對快充技術的最完美詮釋。

然而，各個手機品牌在給旗下產品融入快充技術的同時卻出現了分歧。

以OPPO、華為和三星為代表的廠商，選擇了自主研發的快充方案。其中OPPO將其命名為“VOOC閃充”（一加手機3的DASH快充可視為VOOC的分支）；華為快充則衍生出了FCP、SuperCharge和Magic Power三個版本；而三星的快充則被稱為AFC。三者不同之處在于，三星旗下的絕大多數中高端機型可同時支持AFC和高通OC，而OPPO和華為的快充則僅為自家產品服務（圖5）。

相對于耗費精力的自主研發，更多的手機廠商選擇了直接和芯片方案提供商合作。比如搭載聯發科處理器的手機就支持PE/PEP，而搭載高通處理器的手機則兼容OC，這項技術屬于處理器的“打包附贈”，手機廠商只需在手機端和充電器端分別嵌入相關的充電識別IC芯片即可。

問題來了，各種快充技術之間存在兼容問題，其中OPPO VOOC更是需要重新定制的MicroUSB接口和數據線。家里的手機越多、品牌越雜，手機和充電器的（快充）匹配問題就顯得越是頭痛（圖6）。每一款手機都需要一個與其匹配的（快充）充電器，這無疑是一種資源上的浪費，造成電子垃圾污染。

小提示

USB PD3.0是通過PPS協議實現的對主流快充技術的收編，原本并未包括三AFC、展訊SFCP和AppIe的快充協議。但是，已有芯片廠在USBPD3.0的基礎上，推出了同時兼容AFC、SFCP和Apple的快充電源管理IC芯片，從而實現了快充方案全兼容的夢想。

對快充方案的混亂境遇，最先“看不下去”的就是谷歌。早在2016年11月，谷歌就在Android 7.0的OEM規范中明確指出：想用最新的Android 7.×系統？沒問題，但你必須選擇USB PD充電協議！這則消息剛一出現就在手機圈里引起了不小的風波，很多用戶紛紛表示“這讓其他快充方案怎么活？”

2個月后，推廣、制訂USB技術的非營利組織USB-IF就公布了最新的USB PD3.O技術，不僅符合谷歌想通過Android7.×普及USB PD充電協議的野心，同時也解決了困擾我們已久的與其他快充技術的通用性問題：USBPD3.0可全面兼容OC4.0/3.0/2.0、MTK PE2.0/3.0、FCP、VOOC等快充協議，基本實現快充江湖的“統一”（圖7）。最令人欣喜的是，USB PD3.0與我國工信部的泰爾實驗室達成了共識，預計將與國標實現統一！

簡單來說，USB PD充電協議最大的特色就是設定了1 OW、18W、36W、60W、100W五個檔次的充電功率標準（圖8），分別對應5V/2A、12V/1.5A、12V/3A、20V/3A以及20V/5A的電流/電壓搭配，可滿足類似顯示器、筆記本等耗電量更高設備的供電（充電）需求，還能實現雙向充電功能，即兩臺電腦用USB線連接可以互相充電。

細心的讀者可能已經發現了，USB PD的供電標準比較“呆板”，10W、18W和36W之間的跨度太大。要知道，無論是高通OC3.0/OC4.0還是聯發科PE2.0/PE3.0都引入了浮動電壓微調的概念。比如，高通OC3.0能在3.6V～20V之間以200mV為單位進行上下調節（電流最大3A）；OC4.0進一步提升了功率，5A時可輸出最大電流為5.6A，9V時為3A，電壓檔繼續細分以20mV為一檔；聯發科PE3.0則能在3V～6V之間以10-20mV的步進進行調節（電流最大6A）。

面對OC3.0/OC3.0和PE3.0這種可調電壓獲得最大充電效率的能力（圖9），USB PD似乎有些不合時宜，又何談取代？

而USB PD3.0技術最大的改進，就是引入了一項名為PPS（Prog rammabIe Powe rSupply）的協議。PPS協議讓USB PD 3.0獲得了強大的可編程能力，輸出電壓范圍從5V擴展到3.0V～21V。同時，PPS可調整電壓幅度為20mV，可以實現低壓大電流直充。此外，PPS協議還規定，最少每10秒負載和適配器之間就要保持一次脈動溝通，這種脈動機制可有效避免充電過程失控。

未來，凡是出廠預裝And roid7.×系統的手機新品都會以USBPD3.0作為標準，在PPS協議的影響下，手機上的USB接口將不允許通過非USB PD的快充協議調整電壓。至于品牌手機原有的舊快充技術，只要不違背原則就能在PPS的基礎上保持向下兼容。此外，USBPD3.0的出現還有利于智能手機將Micro USB接口全面過渡到USBType-C，而且標配的數據線品質也將出現極大的提升，用來承載超過3A的充電電流。

總之，今后無論你買的是OPPO、小米還是華為手機，通過支持USB PD3.0技術的充電器就都能對這些手機進行快速充電（圖10）。正所謂“無數手機，一個對策！”

在EU SB PD的實際應用上，不同類型的設備可根據自身需求對電壓/電流進行定制，實現類似25W、30W的充電，功率。此外，智能手機等移動設備所用的USB Type-C接口屬于細小型連接器，所以它們的供電能力最多只能達到60W。在實際的應用中，智能手機通常會將USB PD限定在更穩定的18W上下。

不要小看手機充電“大一統”的意義。要知道，減少資源浪費、電子垃圾及保護環境免遭污染，是所有企業的社會責任。以往，手機廠商之間各自為戰，想使用快充技術就必須選擇匹配的充電器，既給用戶的選購和使用帶來了麻煩，又有悖于企業的社會責任。因此，USB PD3.0的出現和普及有著非常重要的正面意義，理應受到我們的關注和期待。