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USB充电器小知识

2025/03/06
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目前使用USB Type-C接口的充电器日益普及,用于对手机、PAD或者笔记本电脑充电,但不同的充电器充电效果差异很大,有的可以实现快充,有的充电则很慢,尤其是一个充电器有几个充电头的情况下,差别更为明显。除了充电器自身供电能力的硬件差别,还有一点最容易被忽视,那就是充电器是否支持USB PD协议。
 
一、USB PD协议概述
USB PD(Power Delivery)协议是USB组织发布的一种用于USB接口的电源传输规范。它允许设备之间进行更高效、更大功率的电力传输,同时也支持数据和电力的同时传输。以下是USB PD的一些关键特性:
 

1)高功率传输:USB PD可以支持高达100W甚至更高的功率输出,这使得它非常适合为大功率设备如笔记本电脑充电。
 

2)双向电力传输:不同于传统的单向供电方式,USB PD允许设备间双向供电,这意味着一个设备既可以作为电源也可以作为用电设备。
 

3)智能通信:USB PD通过在Vbus线上使用一个额外的数据通道(CC线),实现设备之间的协商和通信,以确定最佳的电压和电流配置。
 

4)多角色端口(DRP):设备可以配置为电源提供者(PD Source)、电力消费者(PD Sink)或是两者(Dual Role Power)。
 

5)扩展功能:除了电力传输外,USB PD还支持数据传输、视频信号传输等功能,通过Alt Mode可以启用非USB数据传输模式,例如DisplayPort或Thunderbolt。
 

6)安全性:为了防止未经授权的设备损害系统,USB PD定义了认证机制来确保电力供应的安全性。
 

7)可编程电源(PPS):这是USB PD 3.0中引入的一个特性,允许更精细地调整电压和电流,以适应特定设备的需求,从而提高充电效率。
 

USB PD协议的这些特性使其成为现代电子设备中广泛采用的标准之一,特别是在追求便携性和多功能性的移动设备领域。
 

二、USB PD协议接口说明及可配置的电源功率

USB PD (Power Delivery) 协议允许设备之间协商并动态调整电力传输的参数,包括电压(V)和电流(I),从而达到最优的电力传输效果。根据USB PD协议,设备之间可以通过USB Type-C连接器上的配置端口(Configuration Channel, CC)进行通信,协商合适的电力参数。
 

USB Type-C接口的引脚示意图如下所示,VBUS为总线电源,D+、D-为USB2.0的差分信号线,TX+、TX-、RX+、RX-为SuperSpeed差分信号,SBU(Sideband Use)为旁路使用,CC为USB PD协议配置通道。Type-C接口最大功率传输可达100W(20V/5A),最大数据传输速率为10Gbps。可以看到,在公头上只有一个CC引脚,母头上的CC引脚是对称的,所以也可以利用CC引脚判断正反插。
 
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1. 固定电源配置

在USB PD协议中,有一些固定的电压配置点,通常为5V、9V、12V、15V和20V。这些配置点是预设的,并且被广泛支持。设备可以在这些电压等级上运行,并且根据需要选择合适的电流值。


常见的固定电压配置

5V:电流范围:0.5A - 3A,对应功率范围:2.5W - 15W

9V:电流范围:0.5A - 3A,对应功率范围:4.5W - 27W

12V:电流范围:0.5A - 3A,对应功率范围:6W - 36W

15V:电流范围:0.5A - 3A,对应功率范围:7.5W - 45W

20V:电流范围:0.5A - 5A,对应功率范围:10W - 100W


2. 可编程电源(PPS)

USB PD 3.0引入了可编程电源(Programmable Power Supply, PPS)特性,允许更精细地调整电压和电流。PPS支持在3.3V至21V之间,以20mV步进调整电压,并且可以支持的最大电流为5A。这意味着电压和电流都可以在一定范围内连续调节,以适应不同设备的具体需求。


3. 最大功率限制

尽管理论上USB PD 3.0支持最高100W的电力传输,但在实际应用中,具体支持的最大功率取决于设备的设计和支持。USB PD 3.1进一步提升了这一限制,支持最高240W的电力传输。


4. 动态调整

通过USB PD协议,设备可以动态调整电力参数。例如,如果一个设备正在充电并且检测到温度升高,它可以选择降低电压或电流,以减少热量产生,保护电池和其他组件不受损坏。
 

三、通过CC端口进行电源功率配置的阶段

1. 识别阶段(Discovery Phase)

当一个USB Type-C电缆连接到两个设备之间时,首先进行的是识别阶段。在此阶段,源端(通常是充电器)和宿端(需要充电的设备)通过CC线来识别对方的角色。具体步骤如下:

  • 初始化:在没有电源的情况下,Type-C连接器的两个CC引脚都处于上拉状态。一旦连接建立,宿端会将其CC引脚设置为下拉状态,从而改变CC电压。源端检测到这一变化后,知道有一个设备已连接。

  • 握手:源端通过CC线发送一个握手信号,表明自己是电源提供者。如果宿端能够接受电力,则回应一个确认信号。

  • 角色确定:根据握手的结果,两个设备确定各自的源端(供电方)和宿端(受电方)角色。


2. 能力交换阶段(Capability Exchange Phase)

在识别了各自的角色之后,进入能力交换阶段。在此阶段,源端和宿端通过CC线互相告知对方的电力能力,以便确定最优的电力配置。步骤如下:

  • 发送能力信息:源端向宿端发送一个包含自身支持的所有电压/电流组合的能力信息包。
  • 请求能力信息:宿端根据自身的需求,从源端提供的选项中选择一个最适合自己的电力配置,并通过CC线发送请求给源端。


3. 操作阶段(Operational Phase)

当能力交换完成并且选择了适当的电力配置后,进入操作阶段,在此阶段实际的电力传输开始:

  • 电源调整:源端根据宿端的要求调整其输出电压和电流,以匹配宿端的需求。

  • 监控状态:在电力传输期间,双方持续监测电力状态,确保电力传输稳定且安全。如果任何一方检测到异常情况,如过热或过载,可以及时停止电力传输并重新进入识别阶段。


4. 关闭阶段(Termination Phase)
当电力传输不再需要时,进入关闭阶段。在此阶段,电力传输终止,并且双方恢复到初始状态:
  • 断开请求:宿端通过CC线发送断开请求给源端,表明不再需要电力。

  • 断开响应:源端收到请求后,切断电力输出,并回复确认信号。

  • 恢复初始状态:双方恢复到未连接状态,CC引脚返回上拉状态。
     


通过USB PD协议及其硬件接口配置这种方式,为电子设备提供了灵活而强大的电源管理方案。用户可以根据自己的设备需求选择合适功率的PD充电器,而设备本身也可以通过智能的电力协商机制获得最适合的充电条件。所以要想购买的充电器能够和自己的电子产品之间实现最佳的充电匹配,一定要购买具有USB PD标识的充电器。普通的USB-C充电器是没有快充功能的,特别是具有多路输出的充电器即使支持USB-PD协议,由于充电器自身输出能力的限制,同时对多个电子设备充电时也会对每个支持USB PD协议的充电端口进行功率限制。

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