随着USB Type-C标准到Release 2.1,USB Power Delivery标准也到Revision 3.1,达到48V/ 5A,240W的供电。但目前市面上的主流快充,仍由Qualcomm发明的Quick Charge在市场上占有一席之地,且随着Qualcomm手机芯片的攻城略地越发茁壮。

Qualcomm Quick Charge发展历程

最早的Quick Charge 1.0何时问世众说纷纭,Qualcomm内部数据有2007年与2013年两种说法。Quick Charge 1.0充电电压固定在5V,最大充电电流为1.8A,可以提供最大9W供电。Quick Charge 1.0兼容于USB Battery Charging,利用Automatic Power Source Detection (APSD) 来识别充电模式,此外也利用Automatic Input Current Limit (AICL) 来判断充电电流。

接下来2015年的Quick Charge 2.0分成两种Class,Class A支持3种充电电压,分别是5V/ 9V/ 12V,Class B则再增加一种20V的充电电压,借由充电电压的提升(High Voltage Dedicated Charging Port,简称HVDCP)来增加充电效率。在充电电流方面,大部分支持Quick Charge 2.0的充电头都提供1A~2A,最大则可以提供到3A,使得Quick Charge 2.0可以达到最大36W (Class A)与60W (Class B)的供电。Quick Charge 2.0除了支持前代APSD & AICL外,也开启了双信道充电模式 (Parallel Charging),使得一个充电头可以利用2个USB power source connectors,同时对2个不同的掌上型装置快充。

紧接着Quick Charge 2.0,Qualcomm在来年(2016年)推出Quick Charge 3.0,规格除了延续Quick Charge 2.0,一样在固定充电电压分成Class A的5V/ 9V/ 12V与Class B的5V/ 9V/ 12V/ 20V外,也提出了更有效率的动态电压充电模式 (Intelligent Negotiation for Optimum Voltage,简称INOV)。

动态电压充电模式可说是USB Power Delivery R3.0 Programmable Power Supply (PPS)的前身,可以一次增加或减少200mV的充电电压。Class A的动态调整范围为3.6V到12V,Class B的动态调整范围则为3.6V到20V,藉由动态电压充电模式,可以使供电端有效的对受电端充电,减少100%完整充电完所需的时间。大部分的Quick Charge 3.0充电头一样提供1A~2A,最大也是提供到3A,所以最大供电维持跟Quick Charge 2.0一样的36W (Class A) 与60W (Class B) 。除了INOV外,HVDCP变成HVDCP+,Parallel Charging变成Parallel Charging+,另外新增电池节能技术 (Battery Saver Technologies)来延长掌上型装置的使用时间。

随着USB Type-C接头的普及化,Qualcomm在2017年推出Quick Charge 4和Quick Charge 4+。Quick Charge 4利用USB Type-C接头的CC line传输USB Power Delivery协议,除了固定电压为5V/ 9V/ 12V (Class A) 与5V/ 9V/ 12V/ 15V (Class B) 的PDO外,也支持前面所提PPS,在Class A为3.3V~5.9V与3.3V~11V,以及在Class B则为3.3V~11V与3.3V~16V的APDO。借由PPS的导入,充电电压以最小20mV为一阶,充电电流则以最小50mA为一阶做变化,充电更有效率,节省充电时间。

Quick Charge 4+则向下兼容Quick Charge 3.0/ 2.0,除了支持上述Quick Charge 4,利用USB Power Delivery协议来改变充电电压与电流外,也可以使用USB接头的D+/ D-来做充电电压的沟通。Quick Charge 4/ 4+也将之前的功能强化,如HVDVP++,Parallel Charging++,INOV 3.0,Battery Saver Technologies 2等。除此之外,Qualcomm考虑使用者的安全,也新导入智能散热平衡 (Intelligent Thermal Balancing)与进阶安全功能 (Advanced Safety Features),让使用者买的安心,用的放心。

Non-USB Charging Methods规范

这边要特别注意的是由于USB Type-C规范在章节4.8.2 Non-USB Charging Methods与USB Compliance Updates均有提到如果使用USB Type-C接头,只能用USB-IF推出的规范来沟通power (也就是USB Battery Charging R1.2规范,USB Type-C规范与USB Power Delivery规范)。

故如果充电头支持Quick Charge 4+,因为会用D+/ D-沟通,该充电头会不能执行USB-IF认证,Quick Charge 4的充电产品如果是power source only且不支持数据传输,不论是USB Type-C母头或是公头,均需要将D+/ D-短路 (电阻需小于200Ω),强制支持USB Battery Charging R1.2,方能执行认证。

最后是2020年推出的Quick Charge 5,其本质与Quick Charge 4/ 4+相差不大,主要着重于更好的充电效率 (0~50%仅需5分钟,15分钟内达到100%)以及良好的散热机制 (不超过40℃)。

表1:Quick Charge快充标准各代规格

Quick Charge 2.0供电端认证测试

如上所说,Quick Charge 2.0利用拉高充电电压的方法(HVDCP)来增加充电效率,而Class A充电电压共有5V/ 9V/ 12V,Class B则再增加一种20V的充电电压。那供电端要如何从受电端知道输出哪一个充电电压呢?请参考下表,透过受电端D+与D-不同电压准位的搭配,来让供电端知道该输出的充电电压为何。

表2:Quick Charge 2.0 受电端与供电端电压搭配

测试验证供电端是否进入Quick Charge 2.0的沟通模式,方法如下:

测项一

1. 当供电端受电 (AC或DC)后,供电端的D+/ D-仍然short在一起,Vbus依照USB规范为标准5V输出,此时在D+给予2V电压。

2. 因为供电端的D+/ D- short在一起 (USB Battery Charging DCP的识别方法),故供电端的D-也应该侦测到2V电压,代表未进入Quick Charge沟通模式。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

测项二

1. 接着对D+施予6V电压,并监视D- (此时D+与D-仍应short在一起)。

2. 等待5秒后,因为D+与D-已经open,故D-电压应为0V (High-Z),代表进入Quick Charge 5V沟通模式,此时Vbus 5V需维持在4.75V~5.25V之间。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

接着依照前面的表格,对供电端D+与D-施予不同电压准位,来达到输出充电电压的变化。

测项三

1. 等待最小200ms后,D+维持6V电压,对D-施予0.6V电压。

2. 等待200ms后,确认供电端进入Quick Charge 12V沟通模式。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

3. 对供电端抽载至少500mA,此时Vbus 12V需维持在80V~13.20V之间。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

4. 对D+施予3V电压,D-维持0.6V电压。

5. 等待200ms后,确认供电端进入Quick Charge 9V沟通模式。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

6. 对供电端抽载至少500mA,此时Vbus 9V需维持在10V~9.90V之间。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

以下步骤7到9因为没有Class B (20V)供电端可以测试,故直接解说。

7. 如果供电端支持20V充电电压输出,则D+维持3V电压,对D-施予3.3V电压。

8. 等待200ms后,确认供电端进入Quick Charge 20V沟通模式。

9. 对供电端抽载至少500mA,此时Vbus 20V需维持在00V~22.00V之间。

10. 对D+施予6V电压,D-则维持High-Z。

11. 等待200ms后,确认供电端进入Quick Charge 5V沟通模式。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

12. 对供电端抽载至少500mA,此时Vbus 5V需维持在75V~5.25V之间。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

所有供电端支持的输出供电电压都验证完成后,最后要验证供电端能否正常离开Quick Charge沟通模式。

测项四

1. 如果供电端为Class A,则切换成Quick Charge 12V沟通模式 (D+: 0.6V,D-: 0.6V); 如果供电端为Class B,则切换成Quick Charge 20V沟通模式 (D+: 3.3V,D-: 3.3V)。

2. 等待200ms后,直接将D+与D-的电压移除。

3. 等待500ms后,供电端的D+/ D-应该short在一起,Vbus依照USB规范为标准5V输出,此时在D+给予2V电压。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

4. 因为供电端的D+/ D- short在一起 (USB Battery Charging DCP的识别方法),故供电端的D-也应该侦测到2V电压,代表正常离开Quick Charge沟通模式。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

至此Quick Charge 2.0的测试就算全部完成。测试不算复杂,只要能用任意函数产生器 (Arbitrary Function Generator,简称AFG)编出相对应的波型就不会有问题。

Quick Charge 3.0供电端的认证测试

Quick Charge 3.0跟Quick Charge 2.0相比,认证测试除了原来Quick Charge 2.0测项之外,另外多了验证Continuous Mode的测项。而如何进入Continuous Mode,则利用Quick Charge 2.0保留的D+ 0.6V与D- 3.3V,故表格重新定义如下:

表3:Quick Charge 3.0受电端与供电端电压搭配

所谓的Continuous Mode,便是利用D+从0.6V升压到3.3V一段固定时间(2ms),或是D-或3.3V降压到0.6V一段固定时间(2ms),来使供电端输出供电电压上升(D+- 0.6V => 3.3V)或下降200mV (D- 3.3V => 0.6V),以达到供电端有效的对受电端充电,大幅减少100%完整充电完所需的时间。

Quick Charge 3.0 – Continuous Mode的测项执行步骤

1. 接续Quick Charge 2.0测项三的步骤12,D+维持6V电压,对D-则施予3.3V电压,使供电端进入Continuous Mode,此时输出供电电压仍然维持5V。

2. 利用D-,连续执行五次3V降压到0.6V,间隔为2ms。

3. 等待20ms,观察输出供电电压是否下降到75V到4.25V之间。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

4. 利用D+,连续执行三十次6V升压到3.3V,间隔为2ms。

5. 等待20ms,观察输出供电电压是否上升到5V到11.5V之间。

CH1: Vbus电压,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus电流

到此为此,Continuous Mode就算验证完成。

Quick Charge 2.0与Quick Charge 3.0的测试基本都能用任意函数产生器 (Arbitrary Function Generator,简称AFG) 编出相对应的波型来完成。Continuous Mode的波型编成虽然对比Quick Charge 2.0稍嫌困难,但对熟习AFG的使用者来说,相信不会是问题。

此外,示波器等级也不需要太高。本次测试中,采用2.5GHz泰克示波器职完成测试,但实际可用更低阶示波器来执行。随着USB Type-C接口的越来越普及,虽然USB Type-C标准里面对非USB制定的快充使用有所限制,只要一兼容就不能使用USB快充认证的2个Trademark Logo。但不可讳言的是,市场上仍然需要其他快充标准的存在来壮大以及耕耘这块领域。

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