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。

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。

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5V20V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3.3V21V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。

圖1 Google Pixel 2 XL充電時間。

圖2 iPhone 7電池充電時間。

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。

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

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