USB Type C接口的充电功能

2022-10-21

随着Type-C接口在手机、电脑等便携设备上普及,日常使用中或许会遇到如下问题。

1. 为什么这个Type-C充电器充电这么慢?

2. 电脑的Type-C充电器能给手机充电吗?

3. PD充电?Type-C充电?有什么区别?

要解答以上几个问题,就得了解一下基本设计了。

快充 VS 慢充

普通充电,使用USB Type-A Standard接口转USB Type-B Micro接口的连接线给手机充电。

充电头端的USB Type-A Receptacle作为电源输入端,连接手机端的USB Type-B Micro接口作为电源输出端。

在没有充电协议的加持下,充电器最大只能对外提供5V@900mA(USB3.0 是 900mA,USB2.0是500mA)的充电功率。

这是USB Type-A/B接口的硬件设计规范,那么这样的设计最大提供 4.5W的充电功率。

使用USB Type-A Plug 转USB Type-C Plug的连接线给手机充电。

充电头端的USB Type-A Receptacle作为电源输入端,连接手机端的USB Type-C接口作为电源输出端。

Type-C接口规定,Power Source端供电能力取决于cc上的Rp电阻。

Power Sink端cc下拉Rd=5.1K,根据cc分压即可确定Power Source端的供电能力。

一般来说,Type-A Plug转Type-C Plug的连接线,Type-C端的Rp会声明其支持5V@3A的供电,但是得配套专用的充电头。

由于转接线和充电头可能不是配套的。如果充电头端的USB Type-A Receptacle只能提供5V@900mA,那么即使转接线Type-C Plug端Rp声明为 5V@3A,也没法给手机最大提供5V@3A的充电功率,还有可能损坏充电头。

在没有充电协议的加持下,Type-C转接线最大可以支持 5V3A的充电功率,即最大15W的充电功率。

这就是Type-C充电,属于硬件设计规范。

快速充电

实际上,不管是Type-C接口,还是Micro USB接口,都出现过支持超过硬件接口设计规范充电功率产品。

这些都是快充协议的功劳,而且大都是利用转接线中的USB2.0 D+/-两个线完成通讯。

注意,这里的通信不是USB通信,只是利用D+/-两根线,设计的通讯协议而已。这种协议属于私有协议,各家设计均不相同,详细协议此文不作介绍。

但是,快充的原理都是通过私有协议协商后,充电器端会提高充电电流或者充电电压,以满足设备快充。

手机市场巨大,各家虽然都采用同样的Type-C接口作为充电接口,但是基本都设计了自家的私有快充协议。

关于手机的快充,有三点是关键。充电头、充电线、充电设备。

以某手机为例,支持最新的FCP快充协议,在使用原装充电器和充电线的情况下,最大支持66W充电,就是所谓的超级快充。充电电压达到11V,充电电流最大达到6A。

连接充电后,首先充电头端会发起FCP快充识别协议,同时充电线的接头里面也设计有识别IC。当充电头通过FCP协议正确识别了手机和充电线后,手机充电才会进入超级快充。

为了实现66W超级快充,充电线材需要承受6A的大电流,因此必须设计一个识别 IC,防止使用普通线材发热起火(充电线接口也设计为橘黄色和普通线材做出区分)。

当使用的充电头,或者充电线不是原装的,都只能实现普通充电模式。手机同时支持PD快充,显示为快速充电。原装充电器加充电线才会显示为超级快充。

这就是为什么充电器或者充电线不原装的话,充电速度很慢的原因。

PD快充

PD全称Power Delivery,是USB-IF协会设计并推广的一种快充协议,以解决移动电子设备快充协议混乱的局面。当前PD3.1协议可以最大支持 240W的充电功率,几乎涵盖了所有的移动电子设备。

支持PD快充,必须采用USB-C to USB-C的连接线,因为PD快充是基于PD协议实现的。

PD协议是在Configuration Channel上实现的,即下图中的A5或者B5。

USB Type-A转 USB Type-C充电线中是没有cc通讯的。

如下图,当充电设备通过USB-C to USB-C的充电线连接后,双方的cc都会连接。

经过Power Negotiate后,充电器端会提高供电电压或者电流,以实现快充。

图片来源于USB协会官网开源技术文档

PD在Power Negotiate上比较简单。如下是笔记本电脑的Type-C接口上的cc 通讯。

1. Power Source端发送Source Capability(包含1-4组Power Level)

2. Power Sink根据自身需求请求一组合适的Power Level

3. Power Source安装 Power Sink请求提升电压,设置限流阈值即可

抓取PD通信波形,以及Vbus变化情况,如下图。

当然,PD协议不仅仅会完成Power Negotiate,还会继续完成AltMode配置,实现DP、TBT、USB4、PCIe 等高速协议的通道配置。

笔记本的充电需求一般在45W-90W,因此Type-C接口就是第一选择,同时支持 PD快充协议。

一个USB-C口就可以实现USB+DP+PD全功能。

显然笔记本电脑使用的 Type-C充电器也采用了PD快充协议,其对外有 4 组供电等级声明。

那么用它对手机充电时,手机请求合适的充电等级即可。

多协议兼容

私有协议各有优势,但是互不兼容。当Power Source端和Power Sink端的快充协议不一致,那么就犹如鸡同鸭讲,无法实现快充了。

事实上,私有快充协议不兼容问题已经有工程师提出了解决方案,那就是多协议解码器。

通信协议实质上就是一定规则的电平变化,那么使用软件配合 MCU 必然可以实现多协议兼容。如果Power Source端或者 Power Sink 端采用了多协议解码器,就如同学习了多门“方言”。不管是“广东话”还是“陕西话”,协议解码器都能“说” 或者 “听”。

芯海科技针对多协议充电推出完整的解决方案。

CS32G020系列是芯海科技推出的支持USB Type-C和PD3.0协议的USB Type-C控制器,可应用于PC电源适配器、手机充电器、移动电源、车充、HUB 等领域。 

CS32G020内嵌 ARM® Cortex™-M0 内核,主频最高 48MHz,可以支持很广范围的工业控制应用和需要高性能 CPU 的场合。内置 64K 字节程序flash,数据flash 大小可配置(与程序flash共享) ,4K 字节 LDROM,8K 字节 SRAM。CS32G020 封装包括 QFN24 和 QFN32。

CS32G020支持PD、QC4.0、SCP、FCP、AFC等快充协议。

此外,芯海旗下可适用电源PD快充应用的典型芯片有CSU3AF10、CPW3301等多款产品。

CSU3AF10是一款广泛适用于移动电源、储能电源、无线充、车充等应用领域的通用型、单通道PD快充控制器,内嵌MCU,主频最高24MHz,内置64KB Flash,是CS32G020的精简版本,在保留相应的核心功能基础上,新增了USB PD3.1、UFCS等协议的支持。

CPW3301是一款适用于充电器、适配器等应用领域的高性能、高集成度的Type-C PD控制器,可用于USB-A 和TYPE-C双端口输出的快充协议IC,集成恒压、恒流、以及恒温控制环路,集成高精度的电流采样和电荷泵电路。

芯海科技的PD快充芯片内置MCU架构与私有协议PHY,拥有性能强大、功能全面、功耗低及强加密的安全措施。同时,芯海完善的Smart PD开发生态,具有检测精度高、资源丰富、协议灵活与兼容性好、丰富的参考资料、高效易用的开发工具等优势,能够为终端电源产品提供全方位解决方案。