隨著USB Type-C標準到Release 2.1,USB Power Delivery標準也到Revision 3.1,達到48V/ 5A,240W的供電。但目前市面上的主流快充,仍由Qualcomm發明的Quick Charge在市場上佔有一席之地,且隨著Qualcomm手機晶片的攻城掠地越發茁壯。

 

Qualcomm Quick Charge是什麼?發展歷程一次看

 

Quick Charge 1.0

最早的Quick Charge 1.0何時問世眾說紛紜,Qualcomm內部資料有2007年與2013年兩種說法。Quick Charge 1.0充電電壓固定在5V,最大充電電流為1.8A,可以提供最大9W供電。Quick Charge 1.0相容于USB Battery Charging,利用Automatic Power Source Detection (APSD) 來識別充電模式,此外也利用Automatic Input Current Limit (AICL) 來判斷充電電流。

 

Quick Charge 2.0

接下來2015年的Quick Charge 2.0分成兩種Class,Class A支援3種充電電壓,分別是5V/ 9V/ 12V,Class B則再增加一種20V的充電電壓,借由充電電壓的提升(High Voltage Dedicated Charging Port,簡稱HVDCP)來增加充電效率。在充電電流方面,大部分支援Quick Charge 2.0的充電頭都提供1A~2A,最大則可以提供到3A,使得Quick Charge 2.0可以達到最大36W (Class A)與60W (Class B)的供電。Quick Charge 2.0除了支援前代APSD & AICL外,也開啟了雙通道充電模式 (Parallel Charging),使得一個充電頭可以利用2個USB power source connectors,同時對2個不同的掌上型裝置快充。

符合 Quick Charge 2.0 標準的 USB充電器
符合 Quick Charge 2.0 標準的 USB充電器 (圖片出處:Wikipedia)

 

Quick Charge 3.0

緊接著Quick Charge 2.0,Qualcomm在隔年(2016年)推出Quick Charge 3.0,規格除了延續Quick Charge 2.0,一樣在固定充電電壓分成Class A的5V/ 9V/ 12V與Class B的5V/ 9V/ 12V/ 20V外,也提出了更有效率的動態電壓充電模式 (Intelligent Negotiation for Optimum Voltage,簡稱INOV)。

動態電壓充電模式可說是USB Power Delivery R3.0 Programmable Power Supply (PPS)的前身,可以一次增加或減少200mV的充電電壓。Class A的動態調整範圍為3.6V到12V,Class B的動態調整範圍則為3.6V到20V,藉由動態電壓充電模式,可以使供電端有效的對受電端充電,減少100%完整充電完所需的時間。大部分的Quick Charge 3.0充電頭一樣提供1A~2A,最大也是提供到3A,所以最大供電維持跟Quick Charge 2.0一樣的36W (Class A) 與60W (Class B) 。除了INOV外,HVDCP變成HVDCP+,Parallel Charging變成Parallel Charging+,另外新增電池節能技術 (Battery Saver Technologies)來延長掌上型裝置的使用時間。

 

Quick Charge 4

隨著USB Type-C接頭的普及化,Qualcomm在2017年推出Quick Charge 4和Quick Charge 4+。Quick Charge 4利用USB Type-C接頭的CC line傳輸USB Power Delivery協定,除了固定電壓為5V/ 9V/ 12V (Class A) 與5V/ 9V/ 12V/ 15V (Class B) 的PDO外,也支持前面所提PPS,在Class A為3.3V~5.9V與3.3V~11V,以及在Class B則為3.3V~11V與3.3V~16V的APDO。借由PPS的導入,充電電壓以最小20mV為一階,充電電流則以最小50mA為一階做變化,充電更有效率,節省充電時間。

 

Quick Charge 4+

Quick Charge 4+則向下相容Quick Charge 3.0/ 2.0,除了支持上述Quick Charge 4,利用USB Power Delivery協定來改變充電電壓與電流外,也可以使用USB接頭的D+/ D-來做充電電壓的溝通。Quick Charge 4/ 4+也將之前的功能強化,如HVDVP++,Parallel Charging++,INOV 3.0,Battery Saver Technologies 2等。除此之外,Qualcomm考慮使用者的安全,也新導入智慧散熱平衡 (Intelligent Thermal Balancing)與進階安全功能 (Advanced Safety Features),讓使用者買的安心,用的放心。

 

Non-USB Charging Methods規範

這邊要特別注意的是由於USB Type-C規範在章節4.8.2 Non-USB Charging Methods與USB Compliance Updates均有提到如果使用USB Type-C接頭,只能用USB-IF推出的規範來溝通power (也就是USB Battery Charging R1.2規範,USB Type-C規範與USB Power Delivery規範)。

USB Type-C規範提到,如果使用USB Type-C接頭,只能用USB-IF推出的規範來溝通power

故如果充電頭支持Quick Charge 4+,因為會用D+/ D-溝通,該充電頭會不能執行USB-IF認證,Quick Charge 4的充電產品如果是power source only且不支援資料傳輸,不論是USB Type-C母頭或是公頭,均需要將D+/ D-短路 (電阻需小於200Ω),強制支持USB Battery Charging R1.2,方能執行認證。

 

Quick Charge 5

最後是2020年推出的Quick Charge 5,其本質與Quick Charge 4/ 4+相差不大,主要著重於更好的充電效率 (0~50%僅需5分鐘,15分鐘內達到100%)以及良好的散熱機制 (不超過40℃)。

表1:Quick Charge快充標準各代規格

 

Quick Charge 2.0供電端認證測試

如上所說,Quick Charge 2.0利用拉高充電電壓的方法(HVDCP)來增加充電效率,而Class A充電電壓共有5V/ 9V/ 12V,Class B則再增加一種20V的充電電壓。那供電端要如何從受電端知道輸出哪一個充電電壓呢?請參考下表,透過受電端D+與D-不同電壓准位元的搭配,來讓供電端知道該輸出的充電電壓為何。

Quick Charge 2.0 受電端與供電端電壓搭配

表2:Quick Charge 2.0 受電端與供電端電壓搭配

測試驗證供電端是否進入Quick Charge 2.0的溝通模式,方法如下:

測項一

1. 當供電端受電 (AC或DC)後,供電端的D+/ D-仍然short在一起,Vbus依照USB規範為標準5V輸出,此時在D+給予2V電壓。

2. 因為供電端的D+/ D- short在一起 (USB Battery Charging DCP的識別方法),故供電端的D-也應該偵測到2V電壓,代表未進入Quick Charge溝通模式。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

測項二

1. 接著對D+施予6V電壓,並監視D- (此時D+與D-仍應short在一起)。

2. 等待5秒後,因為D+與D-已經open,故D-電壓應為0V (High-Z),代表進入Quick Charge 5V溝通模式,此時Vbus 5V需維持在4.75V~5.25V之間。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

接著依照前面的表格,對供電端D+與D-施予不同電壓准位元,來達到輸出充電電壓的變化。

測項三

1. 等待最小200ms後,D+維持6V電壓,對D-施予0.6V電壓。

2. 等待200ms後,確認供電端進入Quick Charge 12V溝通模式。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

3. 對供電端抽載至少500mA,此時Vbus 12V需維持在80V~13.20V之間。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

4. 對D+施予3V電壓,D-維持0.6V電壓。

5. 等待200ms後,確認供電端進入Quick Charge 9V溝通模式。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

6. 對供電端抽載至少500mA,此時Vbus 9V需維持在10V~9.90V之間。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

以下步驟7到9因為沒有Class B (20V)供電端可以測試,故直接解說。

7. 如果供電端支援20V充電電壓輸出,則D+維持3V電壓,對D-施予3.3V電壓。

8. 等待200ms後,確認供電端進入Quick Charge 20V溝通模式。

9. 對供電端抽載至少500mA,此時Vbus 20V需維持在00V~22.00V之間。

10. 對D+施予6V電壓,D-則維持High-Z。

11. 等待200ms後,確認供電端進入Quick Charge 5V溝通模式。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

12. 對供電端抽載至少500mA,此時Vbus 5V需維持在75V~5.25V之間。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

所有供電端支援的輸出供電電壓都驗證完成後,最後要驗證供電端能否正常離開Quick Charge溝通模式。

測項四

1. 如果供電端為Class A,則切換成Quick Charge 12V溝通模式 (D+: 0.6V,D-: 0.6V); 如果供電端為Class B,則切換成Quick Charge 20V溝通模式 (D+: 3.3V,D-: 3.3V)。

2. 等待200ms後,直接將D+與D-的電壓移除。

3. 等待500ms後,供電端的D+/ D-應該short在一起,Vbus依照USB規範為標準5V輸出,此時在D+給予2V電壓。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

4. 因為供電端的D+/ D- short在一起 (USB Battery Charging DCP的識別方法),故供電端的D-也應該偵測到2V電壓,代表正常離開Quick Charge溝通模式。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

至此Quick Charge 2.0的測試就算全部完成。測試不算複雜,只要能用任意函數產生器 (Arbitrary Function Generator,簡稱AFG)編出相對應的波型就不會有問題。

 

Quick Charge 3.0供電端的認證測試

Quick Charge 3.0跟Quick Charge 2.0相比,認證測試除了原來Quick Charge 2.0測項之外,另外多了驗證Continuous Mode的測項。而如何進入Continuous Mode,則利用Quick Charge 2.0保留的D+ 0.6V與D- 3.3V,故表格重新定義如下:

Quick Charge 3.0受電端與供電端電壓搭配

表3:Quick Charge 3.0受電端與供電端電壓搭配

所謂的Continuous Mode,便是利用D+從0.6V升壓到3.3V一段固定時間(2ms),或是D-或3.3V降壓到0.6V一段固定時間(2ms),來使供電端輸出供電電壓上升(D+- 0.6V => 3.3V)或下降200mV (D- 3.3V => 0.6V),以達到供電端有效的對受電端充電,大幅減少100%完整充電完所需的時間。

 

Quick Charge 3.0 – Continuous Mode的測項執行步驟

1. 接續Quick Charge 2.0測項三的步驟12,D+維持6V電壓,對D-則施予3.3V電壓,使供電端進入Continuous Mode,此時輸出供電電壓仍然維持5V。

2. 利用D-,連續執行五次3V降壓到0.6V,間隔為2ms。

3. 等待20ms,觀察輸出供電電壓是否下降到3.75V到4.25V之間。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

4. 利用D+,連續執行三十次6V升壓到3.3V,間隔為2ms。

5. 等待20ms,觀察輸出供電電壓是否上升到5V到11.5V之間。

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

CH1: Vbus電壓,CH2: D+,CH3: D-,CH4: Vbus電流

到此為此,Continuous Mode就算驗證完成。

Quick Charge 2.0與Quick Charge 3.0的測試基本都能用任意函數產生器 (Arbitrary Function Generator,簡稱AFG) 編出相對應的波型來完成。Continuous Mode的波型編成雖然對比Quick Charge 2.0稍嫌困難,但對熟習AFG的使用者來說,相信不會是問題。

此外,示波器等級也不需要太高。本次測試中,採用2.5GHz泰克示波器職完成測試,但實際可用更低階示波器來執行。隨著USB Type-C介面的越來越普及,雖然USB Type-C標準裡面對非USB制定的快充使用有所限制,只要一相容就不能使用USB快充認證的2個Trademark Logo。但不可諱言的是,市場上仍然需要其他快充標準的存在來壯大以及耕耘這塊領域。

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