最高240瓦！USB供電標(biāo)準(zhǔn)再現(xiàn)臺(tái)階式飛躍，會(huì)帶來(lái)哪些影響？

近日，通用串行總線（USB）標(biāo)準(zhǔn)組織USB-IF公開了USB-C（即USB Type-C）接口新規(guī)范USB Type-C 2.1，這是自2019年8月USB Type-C 2.0規(guī)范之后，USB標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)USB-C接口的機(jī)械電子特性做出的重大修訂，之所以要對(duì)USB接口物理特性做修改，是因?yàn)閁SB-IF同期公布了USB供電協(xié)議（USB Power Develiry，簡(jiǎn)稱USB PD）的新標(biāo)準(zhǔn)，USB PD 3.1將支持最高240瓦功率，而舊標(biāo)準(zhǔn)最高支持供電能力為100瓦。當(dāng)然，USB-C接口規(guī)范變化，支持240瓦供電只是一個(gè)要素，對(duì)USB 4標(biāo)準(zhǔn)支持及兼容雷電3也是非常重要的驅(qū)動(dòng)力。

USB供電發(fā)展史

從通信鏈路中取電的思路由來(lái)已久。由于使用方便、連接簡(jiǎn)單，而且真正支持熱插拔，自1996年USB標(biāo)準(zhǔn)公布之后，USB逐漸取代其他串行接口，成為IT設(shè)備中最通用的接口。USB包含電源和地線接口，可以為接在其上的便攜設(shè)備供電，在USB 2.0時(shí)代，USB接口就可以為外接設(shè)備提供2.5瓦的電能（5V@500mA）。之后USB標(biāo)準(zhǔn)組織旗下的電池充電工作組開始為USB接口（含USB標(biāo)準(zhǔn)接口及miniUSB和microUSB接口）制定充電標(biāo)準(zhǔn)，2007年推出USB充電標(biāo)準(zhǔn)1.0（USB Battery Charging v1.0，簡(jiǎn)稱USB BC），在USB 3.0規(guī)范推出后，USB供電最大支持4.5瓦（5V@900mA）。

2010年12月發(fā)布的USB BC1.2規(guī)范規(guī)定，USB設(shè)備支持快慢充，最高充電功率可達(dá)7.5瓦（5V@1500mA）。

隨著USB設(shè)備越來(lái)越多，從USB取電或者用USB接口充電的需求越來(lái)越多，但上述標(biāo)準(zhǔn)最多支持7.5瓦。只能滿足手機(jī)等超便攜設(shè)備的充電需求，而且由于功率有限，對(duì)于智能手機(jī)等大電池設(shè)備，需要數(shù)小時(shí)才能充滿。為滿足移動(dòng)設(shè)備的供電與充電需求，USB IF另外成立了USB供電工作組,期待用一種接口滿足對(duì)所有移動(dòng)設(shè)備的供電需求。2012年7月 USB PD 1.0規(guī)格公布，最高可供應(yīng)100瓦（20V@5A）電能，支持設(shè)備在供電（Source）與受電（Sink）間角色互換，從而讓各種設(shè)備都能通過(guò)一條USB線來(lái)滿足供電需求。該標(biāo)準(zhǔn)支持既有USB核心標(biāo)準(zhǔn)（USB 3.0/2.0及充電標(biāo)準(zhǔn)USB BC 1.2/1.1/1.0）

在3.1標(biāo)準(zhǔn)之前，USB PD有兩次大版本升級(jí)，分別是2014年推出的USB PD 2.0,加入了對(duì)USB-C接口的支持；以及2015年推出的USB PD 3.0, 加入可編程電源供應(yīng)，可兼容各家快充協(xié)議，最新可支持QC4+快充。

USB PD3/2版本區(qū)別在于是否支持可編程電源供應(yīng)

從5V1A到超百瓦快充

智能手機(jī)的快充需求對(duì)USB充電功率的提升起到了決定性作用。由于其電池容量大、電量消耗快又成為多數(shù)人須臾不能離的設(shè)備，因此充電慢成為智能手機(jī)一大痛點(diǎn)，比如蘋果公司在超過(guò)10年時(shí)間里，給手機(jī)標(biāo)配的都是5V1A充電功率5瓦的充電器，電池充滿需要數(shù)小時(shí)。

2013年，高通公司推行Quick Charge 1.0（簡(jiǎn)稱QC 1.0）標(biāo)準(zhǔn)，提出“快充”概念，通過(guò)提高輸入電流，高通芯片支持最高10瓦（5V@2000mA）充電功率，突破了USB BC 1.2協(xié)議1.5A充電電流上限。

由于當(dāng)時(shí)microUSB接口僅能承受最高2A電流，所以2015年推出QC 2.0標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，高通加入了高壓方案，通過(guò)提高充電電壓，來(lái)提升充電功率，QC 2.0標(biāo)準(zhǔn)最大功率達(dá)到24瓦。

而OPPO在2014年推出低壓大電流充電方案，通過(guò)改變MicroUSB數(shù)據(jù)線中的觸電、內(nèi)部線，從頭改造電路，制造專屬OPPO的特制數(shù)據(jù)線，達(dá)到快速充電的效果，初代VOOC快充支持25瓦（5V@5A）充電功率。

以高通QC2.0為首的高壓快充和以O(shè)PPO VOOC為首的低壓大電流快充兩種方案大幅度提升了充電速度，但低壓大電流模式受限于micro USB接口問題，沒有得到迅速推廣。包括聯(lián)發(fā)科Pump Express（PE）、魅族mCharge和Pump Express Plus（PEP）、華為早期Fast Charge Protocol（FSP）等快充技術(shù)都是這個(gè)時(shí)期出現(xiàn)的高壓快充方案。

快充時(shí)代真正來(lái)臨始于Type-C數(shù)據(jù)線的面世，USB-C數(shù)據(jù)線突破了2A電流限制，最大支持5A電流，從而可以滿足USB PD規(guī)范的100W供電需求。伴隨著安卓手機(jī)開始全面采用USB-C接口，各手機(jī)廠商紛紛開始啟用低壓大電流快充方案，華為兼容PD和高通QC協(xié)議的SuperCharge（SCP）、聯(lián)發(fā)科Pump Express 3.0、魅族Super mCharge和mCharge4.0等快充方案由此產(chǎn)生。而高通也發(fā)現(xiàn)了低壓方案的優(yōu)勢(shì)，在QC4.0快充協(xié)議上加入了低壓大電流，即同時(shí)支持高壓快充方案和低壓大電流方案，主流手機(jī)快充功率飛躍到50瓦以上。

但中國(guó)手機(jī)廠商對(duì)充電功率的追求看起來(lái)并無(wú)止境。雖然USB PD標(biāo)準(zhǔn)最高支持100瓦。但到2020年，已經(jīng)有多家手機(jī)廠商推出功率超過(guò)100瓦的手機(jī)快充方案。例如iQOO發(fā)布FlashCharge 120瓦超快閃充技術(shù)，OPPO superVOOC 125瓦超級(jí)閃充技術(shù)，以及小米的120瓦有線秒充技術(shù)。

從技術(shù)角度看，無(wú)論是OPPO超級(jí)閃充技術(shù)，還是iQOO超快閃充技術(shù)都運(yùn)用了電荷泵方案，125瓦超閃技術(shù)采用轉(zhuǎn)換效率98%的并聯(lián)三電荷泵方案，其原理是充電器輸出的20V 6.25A功率經(jīng)過(guò)三個(gè)并聯(lián)的電荷泵降壓轉(zhuǎn)換成10V 12.5A進(jìn)入電池，每個(gè)電荷泵只需要轉(zhuǎn)換20V 2.1A大約42W左右的功率，有效地避免了大電流造成的電荷泵過(guò)載、過(guò)熱的情況；iQOO 120W FlashCharge超快閃充技術(shù)則是利用轉(zhuǎn)換效率97%的“雙電芯串聯(lián)”的電池方案，通過(guò)20V 6A充電器進(jìn)入手機(jī)后分為雙路20V 3A再各自使用一顆電荷泵分壓輸出10V 6A，最后合并成10V 12A對(duì)兩串電芯進(jìn)行高壓直充。

實(shí)現(xiàn)240瓦供電在USB硬件設(shè)計(jì)時(shí)有哪些考慮？

對(duì)于百瓦以上的充電方案，雖然各廠商在手機(jī)側(cè)做了大量保護(hù)措施，但是從充電器到手機(jī)側(cè)的線纜與插頭卻無(wú)法保護(hù)，無(wú)論是6A（20V），還是6.25A（20V），都超過(guò)了USB PD規(guī)定的5A電流標(biāo)標(biāo)稱值。

在USB PD 3.1中，標(biāo)稱電流仍然是5A，該標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)提升電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)更大功率供電，舊標(biāo)準(zhǔn)最高支持20V電壓，新標(biāo)準(zhǔn)中擴(kuò)充了三個(gè)電壓級(jí)別，分別是28V（100至140瓦）、36V（140瓦至180瓦）和48V（180瓦至240瓦）。

為支持超過(guò)百瓦的電力傳送，USB標(biāo)準(zhǔn)組織將推出能支持高電壓的專用USB線，并在電纜上標(biāo)注EPR（Extended Power Range，高功率線纜），未標(biāo)注EPR的傳統(tǒng)USB線將被稱為SPR（Standard Power Range，標(biāo)準(zhǔn)功率線纜）。EPR標(biāo)USB線最低應(yīng)支持53.65V電壓，而在高功率線纜連接的電源腳的濾波電容耐壓值不得低于63V。

USB設(shè)備在高功率應(yīng)用中熱插拔時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)電弧，如果對(duì)電弧放電不做保護(hù)，設(shè)備很容易被打壞。而供電電壓越高，電弧危害性越大，所以供電電壓越高，所需穩(wěn)壓電容越大，USB Type-C 2.1規(guī)范中對(duì)如何應(yīng)對(duì)電弧危害，有比較詳細(xì)的描述。

對(duì)芯片及設(shè)備業(yè)影響

超百瓦USB設(shè)備供電設(shè)計(jì)還有非常多的考慮，需要芯片公司和設(shè)備廠商去逐漸磨合。自USB-C接口和USB-PD規(guī)范推出以來(lái)，便攜設(shè)備充電接口統(tǒng)一的進(jìn)程加快了很多，但百瓦功率還不能覆蓋高性能筆記本（功率可達(dá)數(shù)百瓦）等設(shè)備，新版標(biāo)準(zhǔn)出來(lái)之后，筆記本市場(chǎng)基本實(shí)現(xiàn)全覆蓋，也給手機(jī)廠商繼續(xù)沖刺“秒沖”記錄打開了空間。但新版USB-PD支持電壓到48V，已經(jīng)超過(guò)安全電壓，這給設(shè)備廠商在設(shè)計(jì)高功率設(shè)備時(shí)帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。

對(duì)芯片公司而言，高功率應(yīng)用需要更多防護(hù)措施，能在最低成本上實(shí)現(xiàn)安全設(shè)計(jì)的電源管理芯片廠商，將有機(jī)會(huì)吃到更多市場(chǎng)紅利。而USB高功率供電需要更高能效的功率器件，這無(wú)疑將給當(dāng)前火熱的氮化鎵（GaN）市場(chǎng)再加一把火，電源芯片行業(yè)專家印寧華表示，不只是氮化鎵，MOS器件和碳化硅（SiC）器件也將迎來(lái)利好。而隨著快充功率升級(jí)，PD協(xié)議解析也將是一個(gè)不錯(cuò)的市場(chǎng)，兼容充電器都需要PD協(xié)議解析芯片以支持原廠設(shè)備。

也有專家表示，隨著USB-PD功率升高，更多家電設(shè)備也將支持USB接口供電。目前來(lái)看，除了空調(diào)、洗衣機(jī)等大功率設(shè)備，客廳和臥室多數(shù)設(shè)備已經(jīng)支持USB直接供電，將來(lái)家庭供電布線時(shí)，甚至可以交流電與低壓USB直供并排，更安全更便利。如果USB高功率供電技術(shù)成熟，將來(lái)在中低功率設(shè)備供電上一統(tǒng)天下將不是奢望。