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發展歷程

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。

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。

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。

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+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)。

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。

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。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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:

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

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

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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