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快速充电发展史 之一(初期探索与发展)

2019-05-21 14:19:48 | 来源:本站论坛 | 作者:思维活跃
  前言:如果要盘点近10多年移动设备快速充电的发展历史,最少也需要从2012年说起,当时的手机平板等移动设备高速井喷发展,而电池容量普遍偏低,在没有革命性的电池高容

  前言:

如果要盘点近10多年移动设备快速充电的发展历史,最少也需要从2012年说起,当时的手机平板等移动设备高速井喷发展,而电池容量普遍偏低,在没有革命性的电池高容量技术量产出现前,不能快速提升电池能流密度,进而更好提升容量获得更高的设备的续航,那么只能够尽快提升充电速度,缩小充电时间,来获得更好的设备续航使用体验。特别是经过三星bomb门事件后的今天,移动设备续航 “get√”点,被越来越多的厂商以4000mAh左右容量+40W左右快充来组合宣传。从10多年前普遍的五福一安5W小水管,升级到今天量产中最快的OPPO SuperVOOC闪充技术 (3700mAh电池+10V×5A=高达50W充电功率),当中经历那些发展历程,中间又有那些有意思的学习与借鉴,合作及妥协,下面我们就一起聊聊这些年智能手机/平板,快速充电发展过程的那些事。

 

  ↑上面配图为 :祖传多年的五福一安

 

  ↑上面配图为 :市售最高达到50W的VOOC超级闪充,通过定制自用专用协议充电头,专用5A线材,配合串联双电芯电池:每块电池仅一半电压5V负载,提高充电效率同时也降低了发热。甚至能把电池做到35分钟充满3700mAh容量同时保持1000次循环测试,600次独立快充快放电池寿命测试!

 

  ↑上面配图为 :小米公司传承于苏妈的PPT大,法,好犀利的小米快充 (预测一:电源端输出40V×5A,手机端用电荷泵调节一半电压给串联双电池,预测二:电源端输出20V×5A,手机端输出给并联双电池)

 

快速充电初期探索与发展

 

快速充电发展初期移动设备充电特点

  • 电源输出端从早两年的直接输出各种规格的DC端,升级到了普遍使用 USB-Type-A

  • 电源输入端从各厂商专用的充电口,升级到现在入门手机也还在用的 USB2.0-Micro-B

  • 普遍使用5V×0.5A=2.5W至5V×1A=5W的祖传充电功率

  • 线材普遍为2A电流以内 (早期标准的USB-Micro-B安全电流)

 

  以下暂时先以充电中通用的USB接口先作介绍:

 

  ↑上面配图为 :20世纪最绿色环保的发明为:标准化通用USB接口规范

 

  ↑上面配图为 :(太熟悉了,不想说明)

 

  ↑上面配图为 :USB-A,4Pin接口示意图,左边为插头端 (取电/充电/数据端),右边为插座端 (主机/供电端)

  注:在USB插头端的四个引脚中,电源VBUS和接地GND这两个触点比较长,中间两条数据线D+和D-相对较短一点。这是为了支持热插拔而专门设计的硬件结构。当USB插入时,先接通GND和VBUS,而后接通数据线。当USB拔下来时,先断开数据线,再断开VBUS和GND。这样就保证了在插拔过程一只,不会出现有数据信号而无电源的情况。
 

 ↑上面配图为 :早年在移动设备使用范围最广的USB2.0-Micro-B引脚的说明

 

  ↑上面配图为 :在Micro-USB接口中,通过 ID引脚短接地线就能实现设备间无主机的OTG功能

 

初期快速充电发展中的重要协议

►:USB-IF的BC1.2充电规范协议
意义:奠定USB设备关于充电中通信识别,沟通调整的细节规范

   2010年USB-IF为了提升充电速度,规范充电及供电沟通流程,提出了USB接口充电的BC1.2充电协议规范。USB接口的供电能力给电池充电并不是USB接口的原始特性,因此在BC1.2颁布之前,USB-IF官方并未就为关于中断设备的电池充电做出任何规定。通过建立清晰的USB端口供电能力沟通方法,BC1.2规范改进了其中许多问题。 BC1.2规范简要规定了三种不同类型的USB端口和两种关键对象。“充电”端口是可提供500mA以上电流的端口;“下行”端口按照USB 2.0规范传输数据。BC1.2规范也确定了每个端口应如何向终端设备枚举,以及识别应用端口类型的协议。三种USB BC1.2端口类型为SDP、DCP和CDP 。

● 标准下行端口(SDP)这种端口的D+和D-线上具有15kΩ下拉电阻。限流值如上讨论:挂起时为2.5mA,连接时为100mA,连接并配置为较高功率时为500mA。一般情况下SDP模式充电功率最高为5V×0.5A=2.5W。
● 专用充电端口(DCP) 这种端口不支持任何数据传输,但能够提供1.5A以上的电流。端口的D+和D-线之间短路。这种类型的端口支持,较高充电能力的墙上充电器和车载充电器,无需枚举。一般情况下DCP模式充电功率最高为5V×0.5A=2.5W。
● 充电下行端口(CDP)这种端口既支持大电流充电,也支持完全兼容USB 2.0的数据传输。端口具有D+和D-通信所必需的15kΩ下拉电阻,也具有充电器检测阶段切换的内部电路。内部电路允许便携设备将CDP与其它类型端口区分开来。一般情况下CDP模式充电功率最高为5V×0.5A=2.5W。

↑上面配图为 :BC1.2协议的充电端和设备端通过D-/D+数据引脚下拉的电阻,结合变化来判断充电设备类型。

 

►:USB-IF的PD1.0协议(PowerDelivery1.0)
意义:走出整合笔电,平板,手机等等移动设备,通用化供电充电整合第一步

  2012年7月份,USB-IF在原来的USB-BC1.2(DCP-5V×1.5A=7.5W)基础上,率先发布了最高达到20V×5A=100W的PD1.0充电协议,然而在传统Type-A的4Pin接口下,靠通过复用VBUS引脚(电源正极),把充电协议的通信数据调制到VBUS(类似电力猫把网络信号调制到电源线同理)方案。因为方案协议信号的完整性及稳定兼容性问题,基本就没有太多移动设备设备应用。
 

  ↑上面配图为 :PD1.0复用VBUS引脚的示意图(较为失败的PD1.0在网络基本也查不到什么参考资料了)

       PD1.0快充的识别过程:

  ●USB OTG的PHY监控VBUS电压,如果有VBUS的5V电压存在并且检测到OTG ID脚是1K下拉电阻(不是OTG Host模式,OTG Host模式的ID电阻是小于1K的),就说明该电缆是支持USB PD的。

  ●USB OTG做正常BCS V1.2规范的充电器探测并且启动USB PD 设备策略管理器,策略管理器监控VBUS的直流电平上是否耦合了FSK信号,并且解码消息得出是CapabilitiesSource 消息,就根据USB PD规范解析该消息得出USB PD充电器所支持的所有电压和电流列表对。

  ●手机根据用户的配置从CapabilitiesSource消息中选择一个电压和电流对,并将电压和电流对加在Request消息的payload上,然后策略管理器将FSK信号耦合到VBUS直流电平上。

  ●充电器解码FSK信号并发出Accept消息给手机,同时调整Power Supply的直流电压和电流输出。

  ●手机收到Accept消息,调整Charger IC的充电电压和电流。

  ●手机在充电过程中可以动态发送Request消息来请求充电器改变输出电压和电流,从而实现快速充电的过程。
 

  ↑上面配图为 :迈大步子的PD1.0

►:高通QC1.0协议

意义:通信巨头向快充协议进军的第一步

  掌握着通信基础专利繁多的高通,看着快速充电需求的快速增长,在2013年发布了QC1.0-5V×2A的快充协议。不同于PD1.0,修改VBUS引脚增加通信协议,识别快充协议,高通的QC1.0协议是面向使用自己芯片的手机/平板设计的快充协议,通过简单修改增加充电电流和快充协议识别芯片,就很好兼容新旧设备兼容问题。这样高通的QC1.0比BC1.2充电速度提升了40%。
 


  ↑上面配图为 :稳扎稳打发展的QC快充协议,在巨大出货量下,给手机制造商提供高性价比,高兼容通用性的快充方案,大大增加了自身SoC芯片的性价比及附加值。

 

►:超级全能的Type-C接口制定发布

意义:奠定未来几十年内接口的通用性+高供电+高速度

  2013年12月制定的Type-C 1.0版本,2014年9月份就量产上市。吊打如今一众各种几年十几年难产,加PPT大,法 的技术。(牙膏厂的10nm/18英寸硅圆晶,阿三家磨了30年的LCA)

  接口注: Type-C接口只是一种接口类型,由于体积小,正反可插,以及可以兼容诸多协议,因此有着“数据接口的终极形态”之称,因为其兼容了诸多协议(PCIe,DP,PD等等),可以集成视频、音频、数据、供电等各种接口和协议!

  ↑上面配图为 :USB-IF定义的各种形状不同标准下的USB接口(公口)

 

  ↑上面配图为 : USB接口形状发展过程

 

  ↑上面配图为 :USB Type-C接口的小巧灵活/强大性能,一统接口形状后的USB-Type-C,能再次大大提升不同设备及线材通用性,再次为绿色环保做出业界领军表率及伟大贡献!

 

  ↑上面配图为 :上下镜像布置的24个引脚完美实现正反盲插

  USB Type-C终结了长期以来USB插来插去的缺陷,节省了人们大量的时间,以换一次方向至少2s算,按全球10亿人每天插拔一次USB,50%概率插错,耗时277000多小时,合计到了恐怖的31年!
 

  ↑上面配图为 :通过1组A5/B8,C-C专用引脚,智能判断:


       • 探测连接,区分正反面,区分DFP和UFP的主从

  • 配置Vbus,有USB Type-C和USB Power Delivery两种模式

  • 配置Vconn,当线缆里有芯片的时候,一个cc传输信号,一个cc变成供电Vconn

  • 配置其他模式,如接音频配件时,dp,pcie时
 

  全接口24Pin的Type-C 两边从外往里算,分别为:

  • 2组A1/B1,A12/B12为接地引脚

  • 4组A2/B2,A3/B3,A10/B10,A11/B11为数据信号引脚

  • 2组A4/B4,A9/B9电源引脚

  • 1组A5/B8,C-C专用协议识别引脚,通过下拉电阻值判断接口插入的方向,顺便切换RX/TX。同时也给镜像布置的另外1组A8/B8 Vbus引脚做供电的切换。

  • 2组A6/B6 ,A7/B7 ,USB2.0兼容专用引脚

      • 全功能的Type-C最高有4组接地,4组供电引脚,原生支持20V×5A=100W供电。甚至未来在行业新规范定制下,在保持原有的24Pin布局,通过提升电流至10A就能支持到恐怖的20V×10A=200W!

  • 全功能的Type-C最高有4组RX/TX数据,USB-3.0使用1组也能实现5Gbps,而USB-3.1使用1组就能实现10Gbps,使用2组就能实现20Gbps,而USB4使用2组双通道就能实现40Gbps和雷电3相同的速度(其实也是雷电3的马甲),

  注:不要看着USB Type-C好像能支持最高20V/5A,实际上现阶段包含PC笔电的USB主控芯片并不带PD电源功能,需要额外的PD芯片来支持的,所以必不是所有的USB Type-C接口都可以支持到20V/5A,也不都是具备正反双向供电功能。2015年-2017年部分笔记本为了成本问题,并没有在Type-C接口上启用电源充电功能的。受限于内置电池容量及放电功率等限制,直到今天为止,并没有哪款笔记本的Type-C/雷电3,能直接可以做大功率电力输出的,一线缆解决方案。笔记本输出到大功率外设上面目前是行不通的,手机平板就更加没有希望了。现有的解决方案,基本是用外接高功率电源的扩展坞,来实现主机与扩展坞,扩展坞与外设间一线缆解决方案。

  ↑上面配图为 :引脚说明

 

  ↑上面配图为 :Type-C 功能说明



 

►:USB-IF的PD2.0协议

意义:结合Type-C高能接口,踏上消费低压直流供电王者之路的第一步

  2014年,PD2.0协议伴随着全新Type-C全能接口,一起上市。在Type-C全能接口加持下,PD2.0协议超高规格,优秀兼容性,良好的开放合作发展,很快获得各大国际厂商和组织认可。发布初期的PD2.0协议,在手机方面几乎没有应用,直到2016年左右在苹果iPhone和笔电上大量采用,带动着PD协议快速发展,在从字面来看PowerDelivery-电力传输,USB-IF也是想统领消费低压直流供电领域各个方面,确实在各个厂商,组织及媒体舆论帮助下,PD协议稳步提升行业影响力、产品渗透率。



  ↑上面配图为 :从iPhone 8系列起,苹果手机支持PD快产生的充明星效应,加速行业PD快充发展。

 

►:提升充电速度的3种方法

意义:快充充电初期,主要分:高压快充,低压大电流直充两大流派。如今在高效多能IC加持下,殊途同归的走向高压大电流比快更快的快速充电最佳流派


 

  ↑上面配图为 :早期的快充要么高电压,要么高电流,较单一手段的提升功率流派。近年高功率的快充在优秀的IC及设计下,基本都是较高电压及较大电流双管齐下提升充电速度。

 

►:高通QC2.0协议(高压快充)

意义:稳步提升SoC平台充电效能,快充功能下放至入门芯片,通过高性价比高集成度,增加平台产品的美誉度

  2014年高通QC2.0充电协议发布。QC2.0充电器在与手机协议通信中,也通过和BC1.2类似的复用micro USB接口中间两数据线(D+D-)上加载电压来进行握手协商,调节QC2.0的输出电压。握手过程如下:

    • 当将充电器端通过数据线连到手机上时,充电器默认通过 MOS让D+D-短接,手机端探测到充电器类型为DCP(专用充电端口模式)。此时输出电压为5V,手机正常以BC1.2协议充电。

    • 若手机支持QC2.0快速充电协议,则Android系统的HVDCP进程将会启动,开始在D+上加载0.325V的电压。当这个电压维持大于1s 后,充电器将断开D+和D-的短接, D-上的电压将会下降;手机端检测到D-上的电压下降后,HVDCP获取手机预设的充电器电压值,比如 9V,则设置D+上的电压为VDP_UP(D+ pull-up Voltage 3.0~3.6 V),D-上的电压为VDM_SRC(D- Source Voltage 0.5~0.7 V),充电器输出9v电压。

  ↑上面配图为 :QC2.0

 

  保证安全性兼容性同时,提供高性价比,低成本解决方案

       在保留相同的2A以内相对安全的电流(注:标准的Micro-USB线材,未经修改加强设计,建议 工作在2A以内,以保证安全性),良好的兼容之前设备,简化整机设计难度。QC2.0通过提升电压至9V,充电速度比1.0版本提升了75%。这样高通走上高压快充的发展科技树。

  高压快充优点:无需过多改造,低成本快速的提升充电速度。兼容性良好,加快平台普及及上市速度。缺点:较高的电压对充电IC电路及电池产生较大的热量损耗。

 

►:OPPO VOOC协议(低压大电流快充)

意义:艰难定制研发,开创了快速充电领军地位

  ↑上面配图为 :响彻大街小巷的魔性广告词

  OPPO公司对快速充电的各种分析,通过和产业链的共同研发,定制了一套从充电头,充电线,电池端的解决方案,在2014上市的Find 7搭载了VOOC闪充功能,能够实现5V×5A=25W夸张快速充电速度,放到现在也是不输的方案。持续的研发优化改进,后续的VOOC闪充,优化了充电头发热,容积,电池损耗,循环寿命,今天OPPO量产了2年的VOOC超级闪充 50W更是神一般存在,秒杀其它手机快充方案。
 

 

  ↑上面配图为 :7Pin双电力线,加宽电力引脚+第5Pin协议识别专用引脚,全镀金引脚,线材内置电源IC,抗拉+屏蔽优质线芯

►:高通QC3.0协议(高压快充)

  2015年高通QC3.0充电协议发布。拥有庞大基础通信专利组合,秉承买基带送GPU+CPU的高通,面对一众手机厂商的更加快速充电的需求,再次使出了增加电流大-法,同时为了提升充电中持续调整降低功率中的效率,引入了PD协议中INOV智能电压调整算法,0.2V为一档,提升效率同时降低了损耗。这样QC3.0通过较简单提升充电线电流承载至3A,加入INOV智能电压调整算法又一次提升充电效能,很好的为手机厂商小伙伴们提供高性价比低成本的快充解决方案

  ↑上面配图为 :支持INOV智能电压调算法

  ↑上面配图为 :用上机位的软件检测,支持INOV智能电压调整算法:0.02V步进

  ↑上面配图为 :支持INOV智能电压调整算法,可以让快速充电过程快速的同时平稳安全高效,充电曲线趋于完美


未完待续!
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