从5V1A到超百瓦快充
智能手机的快充需求对USB充电功率的提升起到了决定性作用。由于其电池容量大、电量消耗快又成为多数人须臾不能离的设备,因此充电慢成为智能手机一大痛点,比如苹果公司在超过10年时间里,给手机标配的都是5V1A充电功率5瓦的充电器,电池充满需要数小时。
2013年,高通公司推行Quick Charge 1．0(简称QC 1．0)标准,提出“快充”概念,通过提高输入电流,高通芯片支持最高10瓦(5V@2000mA)充电功率,突破了USB BC 1．2协议1．5A充电电流上限。
由于当时microUSB接口仅能承受最高2A电流,所以2015年推出QC 2．0标准时,高通加入了高压方案,通过提高充电电压,来提升充电功率,QC 2．0标准最大功率达到24瓦。
而OPPO在2014年推出低压大电流充电方案,通过改变MicroUSB数据线中的触电、内部线,从头改造电路,制造专属OPPO的特制数据线,达到快速充电的效果,初代VOOC快充支持25瓦(5V@5A)充电功率。
以高通QC2．0为首的高压快充和以OPPO VOOC为首的低压大电流快充两种方案大幅度提升了充电速度,但低压大电流模式受限于micro USB接口问题,没有得到迅速推广。包括联发科Pump Express(PE)、魅族mCharge和Pump Express Plus(PEP)、华为早期Fast Charge Protocol(FSP)等快充技术都是这个时期出现的高压快充方案。
快充时代真正来临始于Type-C数据线的面世,USB-C数据线突破了2A电流限制,最大支持5A电流,从而可以满足USB PD规范的100W供电需求。伴随着安卓手机开始全面采用USB-C接口,各手机厂商纷纷开始启用低压大电流快充方案,华为兼容PD和高通QC协议的SuperCharge(SCP)、联发科Pump Express 3．0、魅族Super mCharge和mCharge4．0等快充方案由此产生。而高通也发现了低压方案的优势,在QC4．0快充协议上加入了低压大电流,即同时支持高压快充方案和低压大电流方案,主流手机快充功率飞跃到50瓦以上。
但中国手机厂商对充电功率的追求看起来并无止境。虽然USB PD标准最高支持100瓦。但到2020年,已经有多家手机厂商推出功率超过100瓦的手机快充方案。例如iQOO发布FlashCharge 120瓦超快闪充技术,OPPO superVOOC 125瓦超级闪充技术,以及小米的120瓦有线秒充技术。
从技术角度看,无论是OPPO超级闪充技术,还是iQOO超快闪充技术都运用了电荷泵方案,125瓦超闪技术采用转换效率98%的并联三电荷泵方案,其原理是充电器输出的20V 6．25A功率经过三个并联的电荷泵降压转换成10V 12．5A进入电池,每个电荷泵只需要转换20V 2．1A大约42W左右的功率,有效地避免了大电流造成的电荷泵过载、过热的情况;iQOO 120W FlashCharge超快闪充技术则是利用转换效率97%的“双电芯串联”的电池方案,通过20V 6A充电器进入手机后分为双路20V 3A再各自使用一颗电荷泵分压输出10V 6A,最后合并成10V 12A对两串电芯进行高压直充。
实现240瓦供电在USB硬件设计时有哪些考虑?
对于百瓦以上的充电方案,虽然各厂商在手机侧做了大量保护措施,但是从充电器到手机侧的线缆与插头却无法保护,无论是6A(20V),还是6．25A(20V),都超过了USB PD规定的5A电流标标称值。
在USB PD 3．1中,标称电流仍然是5A,该标准通过提升电压来实现更大功率供电,旧标准最高支持20V电压,新标准中扩充了三个电压级别,分别是28V(100至140瓦)、36V(140瓦至180瓦)和48V(180瓦至240瓦)。
为支持超过百瓦的电力传送,USB标准组织将推出能支持高电压的专用USB线,并在电缆上标注EPR(Extended Power Range,高功率线缆),未标注EPR的传统USB线将被称为SPR(Standard Power Range,标准功率线缆)。EPR标USB线最低应支持53．65V电压,而在高功率线缆连接的电源脚的滤波电容耐压值不得低于63V。
USB设备在高功率应用中热插拔时,可能会出现电弧,如果对电弧放电不做保护,设备很容易被打坏。而供电电压越高,电弧危害性越大,所以供电电压越高,所需稳压电容越大,USB Type-C 2．1规范中对如何应对电弧危害,有比较详细的描述。