快充技术原理与快充协议总结-USB迷|专注于互联网分享

2024年1月8日发(作者：鲍丹亦)

快充技术原理与快充协议总结

一．快充技术的发展和USB接口的衍化

（1）快充技术的发展

第一代主流手机是诺基亚的功能机，这种手机有着非常小的屏幕和实体的胶质按键，充电接口采用的是圆形的接口，电池可以拆卸，存储采用的是内置可拆卸存储卡，利用读卡器读取其中内容，此时的充电线和数据线是分离的。

诺基亚功能机的屏幕小，无法连接互联网，功能简单，主要用来接打电话和发送短信，所以耗电也少，对于大电池和快充没有需求，一晚上充满电可以使用一周时间。随后国内厂家推出大容量的电池，功能没有多少变化，也只是增加了续航时间。

2007年，Steve jobs建立了美国苹果公司，推出了Iphone手机，首次将大部分按键给去掉，只在正面留了一个按键，此时的手机屏幕提升到了3.5英寸，在当时算是巨型屏幕了，同时电池也做成了不可拆卸，人们从此进入了智能手机时代。

越来越多的手机功能意味着需要更多的电池电量去支撑，智能手机无法向诺基亚功能手机上维持长达一周的续航时间，但是智能手机带给人的体验是无法抹去的，于是人们把眼光投向了增大电池容量和缩短充电时间。国内此时的手机厂商以oppo为代表，选择的方案是缩短充电时间，其中“充电5分钟通话2小时”的广告语深入人心。

但是VOOC的闪充有一个缺点：只有OPPO手机独享，这是因为OPPO的快充是通过改变充电接口的针脚数量实现电压不变，电流增大进而提高充电功率的方式实现的。也就是这个充电接口与市面上的标准接口无法通用。随后高通快充协议QC2.0问世，市面上搭载高通QC2.0的快充手机才大量流行，快充正式进入到人们的生活。

智能手机的飞速发展，可以实现的功能越来越多，耗电量也越来越高，但是电池的容量提升发展显然没有跟得上节奏，虽然智能手机在容量上有所提升，但终究是提升不大，因此各大手机厂商将目光投向了充电功率上面。高通QC2.0是发展较早的快充协议，此后华为FCP,SCP,三星AFC,OPPO的VOOC和SuperVooc等开始发布，这些私有快充协议的发布造成了市面上不同充电接口之间的不兼容，给用户的使用造成了很大的困惑。

基于此种混乱的情况，USB标准化组织USB-IF联合高通，苹果等科技巨头推出了USB-PD快速充电标准，旨在统一快充标准。与此同死，USB-C接口出现，可以支持正反盲插，使得USB-PD协议的普及非常快。要实现快充需要三个方面共同配合，充电适配器支持，充电线支持，手机支持，缺失其中任何一环都无法实现快充。

USB PD快充的出现也给越来越多的电子设备充电提供了方便，原来的笔记本充电需要一个厚重的电源适配器，但是USB-C接口，支持USB-PD协议的充电头可以提供更大的输出功率，笔记本用户再也不用拖着厚重的电源适配器给笔记本供电了，再一次提升用户的体验。

快充技术的影响逐渐扩展到充电配件领域，充电器不再是仅仅能充电就行，而且充电宝也不仅仅是户外提供续航这么简单。充电宝开始支持快充，可以为外部提供更高的输出功率，甚至是可以为笔记本充电，延长笔记本的续航时间。

氮化镓技术的出现使得半导体技术得到了一次大的发展，大功率的充电头可以做得更小，并且支持USB PD功能。2020年氮化镓技术的出现，使得功率从小到大的每一阶段都可以使用氮化镓，从此以后只需要携带一个充电头就可以解决自己所有电子设备的充电需求。

除了在手机相关的产品上使用快充技术外，小米等厂商将家中随处可见的插线板也植入

了USB模块，这样的设计集成度更高，更能满足用户的多样需求。小米做出这样的产品以后，许多配件厂商也开始推出自带USB充电接口的插板，并且将USB插线板进行了更新，将USB-C充电接口加入，自带USB的插线也可以在不借助充电头的情况下实现快充。

快充的充电功率可以达到多大？2020年7月，OPPO发布了支持120W的超级闪充技术，再度刷新手机的充电记录，随后小米和vivo也推出了120W的超级闪充，一分钟充满手机。

（2）USB接口的衍化

USB（Universal Serial Bus）总线协议是以Intel为主，并有Compaq,Microsoft,IBM,DEC,Northern Telecom以及日本NEC等七家公司共同制定的串行接口标准，其协议标准主要有四种。

传输速度的变化

USB 1.0是1996年正式提出的，当时的频宽仅有12Mbps，速度为1.5MB/s，速度非常慢，而且当时支持USB的周边设备很少，因此没有受到多大重视，最大输出电流为5V/500mA。

USB 2.0是USB发展上的飞跃，USB设备以便携方便，标准统一，支持热插拔等优势，得到了全面普及，2000年USB2.0全新规范问世，速度达到480Mbps，约60MB/s，最大输出电流为5V/500mA，向下兼容1.0版本。

USB 3.0极大提高传输带宽，理论速度达到5Gbps,提供了更好的电源管理，支持待机，休眠，暂定等状态，更快识别器件，最大输出电流为5V/500mA。

USB 3.1追求更快速度，理论速度达到了10Gbps，达到了 USB 3.0的两倍，最大输出电流20V/5A。

接口形式的变化

（1）USB Type-A

USB Type-A接口是最常见的USB接口，英文名字为Standard Type-A,也是最常见的USB接口，USB鼠标，键盘，以及普通的优盘都是USB Type-A接口。

表1 USB引脚定义

NAME

VCC

D-

D+

GND

Description

+5V VDC

Data-

Data+

Ground

图1 USB Type-A引脚定义图2 USB Type-A接口图片

（2）USB Type-B

①Type-B（标准版公） Type-B（3.0版公） Type-B（标准版母）

表2 USB引脚定义

NAME

VCC

D-

D+

GND

Description

+5V VDC

Data-

Data+

Ground

图3 USB Type-B引脚定义图4 USB Type-B实物图

②Mini-USB

USB Type-B为了防止插入的误操作，加入了防误插属性的mini USB，拥有了更小巧的身形，这让它广泛用在录音笔，读卡器，MP3,单反相机等小巧的设备上。Mini-USB又可以分为Mini-USB-A型，Mini-USB-B型，Mini-USB-AB型。表3为mini-USB引脚定义。

表3 mini-USB引脚定义

FUCTION

V_BUS

DATA-

DATA+

GND

COLOR

红

白

绿

黑

备注

电源+5V

数据-

数据+

A型：与地相连

B型：不与地相连（空）

地

其中ID脚在OTG功能中使用，如果你的系统仅仅是用作Slave，那么就是用B接口。系统控制器会判断ID脚电平状态，是什么设备插入，如果是高电平，则是B接头插入，此时系统就会做主模式；如果ID叫为低，则是A接口插入，然后系统就会使用HNP对话协议来决定哪个做为主设备，哪个作为从设备。

图5 Mini USB2.0的A型及B型口

图6 Mini USB2.0的A型，B型口及AB型口

③Micro-USB

Micro-USB是Mini-USB的下一代规格，Micro-USB标准版也分为A型和B型.

图7 Micro-USB-A和 Micro-USB-B型接口图

当 Micro-USB升级3.0之后，有一些变动，如下图8所示。

图8 Micro-USB-A和 Micro-USB-B型接口升级图

图9 普通USB-A接口与Micro-USB接口对比

图10 Micro_USB_B3.0引脚定义图

（3）USB Type-C

Micro_USB_B3.0进一步发展，全新的接口形式，支持正反插拔，拥有更多的针脚，最高可支持USB 3.1协议。

Type-C母座引脚排列如下表

High speed data path

（TX for USB,or for

（RX for USB,or

DP ALT MODE）

USB 2.0 interface

TX for DP ALT

GND

TX1+

TX1-

Vbus

CC1

D+

D-

SBU1

Vbus

A10

Rx2-

A11

Rx2+

A12

GND

RX1+

RX1-

Vbus

SBU2

D-

D+

CC2

Vbus

TX2-

TX2+

GND

B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1

Cable Ground

Cable Bus Power

TYPE-C公头排列如下表

A12

GND

Cable Bus Power

Plug configuration detection

One becomes Vconn,cable

power

CC is uses for USB-PD

communication

A11

RX2+

A10

RX2-

Vbus

SBU1

D-

D+

Vbus

TX1-

TX1+

GND

TX2+

TX2-

Vbus

VCONN

SBU2

Vbus

RX1-

RX1+

GND

B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12

图11 Type-C接口图

（4）USB接口支持的传输协议

图12 各USB接口类型支持的传输协议

二．快充技术原理

基础计算公式：

PWUII2R

t想要缩短充电时间，就要提高充电功率，一个是增大充电电压，一个是增大充电电流。以高通QC为代表的高压快充，主要就是提高了充电时的电压。而OPPO的闪充则从一开始就是走的增大电流的路线。其实在快充刚发展的时候这两条路都不好走。因为充电的基本原理是将电池通电，并且充电电压不得超过电池工作电压太多。目前大多数的电池充电电压基本都在4.5v以下。也就是说不管你输入手机电压有多高都得降到这个水平。而在手机内部的降压必然导致能量损失，也就是手机会发热。

而大电流快充是在充电头的一端完成了电压转换。发热是不会了，但是早期的数据线最大只支持2A的电流。所以我们可以看到OPPO这样的快充，从很早开始充电头和数据线就和别家的不一样的。快充发展到现在高压快充可以在手机内部用电荷泵降压，发热量减少了，数据线也都全面换成USB-C线。电流也可以更高了，但是锂电池的特性导致了，他的充电电流和电压都是有上限的，所以功率也是有上限的，大概也就是二十多瓦的样子。

那目前市面上动不动就40w的快充怎么来的呢？

答案是改造电池，简单来说，以上说的功率是在电池单极耳的情况下，可以理解为只有一个通道充电，改造电池采用双极耳，增加了一个充电通道，功率就直接来到了40w以上，比如华为、小米的40W，iQOO的44W快充。都是采用这样的方式。而OPPO此次业界最快的65W，则是沿用了OPPO R17 Pro的双电池方案，你可以直接理解为两块电池同时充电，所以上限非常高。包括vivo此前发布的120W快充技术也是利用这样的方式，这样的方式目前来看只有一个缺点，两块电池是串联的，所以电池的电压是原来的两倍。使用的时候需要用电荷泵降压。虽然电荷泵的效率已经非常高了，可以达到95%，但是这是电池输出的损耗，所以肯定不能忽略不计。4000毫安时的电池实际可能只有3800毫安时了，不过问题也不大，随手充一分钟就回来了。

OPPO还在发布会上解答了一些问题，发热问题，不用担心因为在充电的时候，10W左右的电压给串联电池充电并不需要降压，并且电池内阻很小，大电流也不会造成发热，电池

寿命其实也不需要担心。现在电池基础技术，虽然没有太大的突破，但是肯定是慢慢完善的，快充对电池寿命的影响必然也在可接受范围之内。

三．充电技术应该考虑的问题

（1）电池的接受能力

以iphonexplus，华为P9，乐2，小米NOTE电池容量不超过3000mAh。以4.35V作为最高电压，1.5C充电来看，最大可接收功率为20w；同时充电电流达到4.5A，因此对于电池触点和电芯内部的电流传输结构都要进行必要的优化。

（2）适配器的功率提供能力

在不考虑接口承受能力的情况下，20W的功率对于适配器是轻而易举的事情，但是传统的MicroUSB接口，在标准的协议规范中最大电流承受能力2A，最高电压5.25V，仅有10.5W的功率传输能力。因此在不改变物理接口的情况下，电流能力无法提升，只能提升电压，这也就是高通快充技术方法的由来。所以对于QC快充协议来说，在MicroUSB时代1.5A是标准推荐电流，而2A是极限值。

在提升电流方面，oppo给MicroUSB打了个补丁，增加了接触针，专门用来传输大电流，最大充电电流4.5A，但是5V电压不变，同样可以达到20W的传输功率。但是Type-C接口出现，改变了这个局面，因为Type-C接口可以最高达到5A的充电电流，完全可以满足手机快充的需求。

（3）手机的充电管理和散热

充电管理必然涉及到电压的转换，恒流控制环节，这些会带来充电效率和散热问题，因此最佳的充电设计方案是手机内部不做充电管理，完全交给外部适配器处理，所以从这一点来讲QC协议比较吃亏，因为高电压和电流输入，必然要进行手机内部的能力转换，变为低电压大电流，这会给手机带来散热的问题，所以从技术的角度来看，QC的历史局限性已经凸显，而更为根本的是TYPE-C接口和USB-PD协议中都禁止采用除了USBPD以外的方式来调整电压。

对此高通做出了很大的努力去说服USB-IF组织，试图在TYPE-C接口中，共存QC和PD,但是别拒绝了。

安全靠谱的全兼容快充方案，只有一种：

（1）单口输出；

（2）支持全速18W（9V/2A）;

（3）最大电流3A;

（4）不需要带芯片（eMarker）的数据线。

四．快充技术的协议分类

手机快速充电主要分为四大家族：

高通Quick Charge快速充电技术，（QC2.0，QC3.0，QC4.0）；

联发科Pump Express Plus快速充电技术（Pump Express和Pump Express Plus）；

Oppo的VOOC闪充快速充电技术（SuperVOOC和VOOC）；

兼容Quick Charge协议和海思快充协议的华为快充协议。

除此之外还有各种基于上述协议衍生的快充协议，如三星的FastCharge，华硕的快速充电协议这两个是基于高通协议开发的；魅族的mCharge则是基于联发科PEP协议开发的。

提高充电速度的方法有两个大方向：一是提高电压，二是提高电流。基本的协议模型是两种：高压高电流，低压高电流。其中高压高电流模式的代表是高通和联发科；低压高电流模式的代表是oppo和华为。

提高电压会增大充电过程中的发热量，加速电池老化并可能带来安全隐患，因此实际效果不佳。相比之下，提高电流则较为现实。VOOC闪充技术采用低电压高电流模式，保证了充电过程中的安全性。VOOC闪充充电5分钟通话2小时，充电30分钟可以将手机的电量从0%充到 75%。2016年2月23日，西班牙·巴塞罗那，OPPO在2016世界移动通信大会（MWC 2016）上，展示了其最新的黑科技，主要包含快速充电和影像技术上的最新成果——OPPO VOOC超级闪充以及SmartSensor图像芯片防抖技术，OPPO VOOC超级闪充15分钟充满一部2500毫安的手机，充电5分钟,通话10小时。

高通Quick Charge 2.0，高通Quick Charge 2.0技术是Quick Charge 1.0的升级版本，采用了新的规范。通过同时加大电流与电压的方法来提高充电速度。

联发科Pump Express Plus，联发科的快速充电新技术Pump Express内置于PMIC的电源管理集成电路。允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压，由PMIC发出脉冲电流指令通过USB的Vbus传送给充电器，充电器依照这个指令调变输出电压，电压逐渐增加至高达5V达到最大充电电流。

（1）USB PD协议

USB-PD协议的充电器输出是以Type-C输出的，因此支持USB-PD协议的充电器一定是Type-C输出的。一对直连的端口用USB TYPE-C连接器中的CC线作为通讯信道来协商出电压，电流以及在CABLE里面供电的方向，这种被采用的机制，独立于其他的用来协商USB电源的操作方式。

为什么选用Type-C的接口作为输出？是因为USB TYPE-C具有我们普通的USB

TYPE-A接口不具备的特性，如支持正反插入，支持更强的电力传输（最大功率100W）,更快的传输速度（10Gbps），因此越来越多的手机厂商选用USB TYPE-C作为接口。即使对于苹果这样喜欢研发自己标准的公司，也选择支持USB-PD协议，那么就能证明这个协议的适用范围和未来的前瞻性得到了市场的认可。对于支持更强的电力传输能力100W这个方面，USB3.1_A口也能做到，但是尺寸很大，与手机的轻薄性要求不相符合。图13为USB3.1_A口与USB TYPE-C的区别对比图。

图13 USB3.1_A口与USB TYPE-C的区别对比图

目前市场上的快充协议很多，MTK的PE+，高通的QC4+,OPPO的VOOC（DASH）,华为的FCP（穿着马甲的QC2.0）以及SCP，但是他们都需要专门的充电器，而USB-PD协议之所以获得大范围的支持，原因之一就是它兼容了其他快充协议标准，使得在未来为数码电子设备充电时不需要必须使用厂家的专属器材，统一所有的低功率电子设备接口，。让我们的未来第一设备充电时更加便捷。

USB-IF协会是美国的一家非盈利性组织，主要活动为推广，营销USB标准，并维护规格和认证程序，而USB-IF对于USB接口的进步一直有着不可磨灭的作用，类似USB-Type-C的接口推广，还有今天的USB-PD协议，都一直在努力着。类似于苹果的第三方配件的MFI认证，或得USBIF认证之前需要成为USB协会的会员，在2017年11月公布的会员名单中，Apple，Samsung，Qualcomm,Google都已经加入，也在制定标准使得用户的体验能够得到保证。

USB-PD协议与其他厂家的快充协议并不是同等关系，而是包含与被包含关系，在USB-IF发布的PPS（快速充电技术规范）里，USB-PD 3.0协议已经包含了高通QC 3.0与4.0，华为的SCP与FCP，MTK的PE3.0与PE2.0，还有OPPO的VOOC。

在PPS规范里，将不允许USB接口通过非USB-PD协议来调节电压电流，这就要求其他的充电标准必须符合USB-PD协议，加快了接口的统一速度。USB-PD协议与中国工信部泰尔实验室达成共识，此举更加促进了USB-PD协议的未来可行度与通用度的大趋势，不管是笔记本还是手机，乃至于100W以下的数码电子设备都可以支持，这已经决定了未来的充电模式方向。

USB PD3.0规范定义了下列电源配置清单：

有4个独立的电压值是预先定义好的：5V，9V，15V和20V，还包含可编程电源（Programmable Power Supply）支持3.3~5.9V；3.3~11V；3.3~16V；3.3~21V这些范围的可调电源，最小调节单位是20mv。对于5V，9V和15V来说，最大电流为3A。在20V的配置中，如果电缆是普通的，最大容许的输出是20V/3A，即60W。假如使用了特别定制的含电子标签线缆，相应的功率可以放大到20V/5A即100W。一个在支持最高电压和功率等级的情况下还必须同时支持所有的较低的电压和功率等级。

功率传输协议，USB Power Delivery，该协议是基于USB3.1中type-C端口概念提出后开发的协议，可以为这种技术带来更大的灵活性，将充电能力扩大为目前的10倍，最高可以达到100W（20V/5A）,同时它可以改变端口的属性，也可以使端口在DFP与UFP之间切换，他还可以与电缆通信，获取电缆的属性。

PD充电协议是USB-IF组织公布的功率传输协议，它可以使目前默认最大功率5V/2A的type-c接口提高到100W。USB PD快充协议可以透过USB电缆和连接器增加电力的输送，扩展USB应用中的电缆总线供电能力，可以自由改变电力的输送方向。Type-C接口默认最大支持15W（5v/3A）,在实现了USB-PD协议后，能够使输出功率最大支持到100W（20v/5A）,目前许多使用Type-C接口的设备都会支持USB PD协议。

USB-PD协议与其他厂家的快充协议并不是等同关系，而是包含和被包含的关系，在USB-IF发布的PPS（快速充电技术规范）里，USB-PD 3.0协议已经包含了高通3.0与4.0，华为的SCP与FCP，MTK的PE3.0与PE2.0，还有OPP0的VOOC。

（2）高通QC快充

目前高通的快充技术版本已经发布了QC4.0，但是市面上常见的快充标准大多数为QC2.0和QC3.0两种。

QC1.0：发布于2013年，接口为Micro USB,电压和电流提升到5V2A，充电时间缩短40%，时代继续前进，大屏智能手机开始爆发，电池续航能力跟不上，快充称为提升用户体验的法宝之一，于是QC2.0诞生。

QC2.0:发布于2014年，接口为Micro USB/USB-A，相比起旧有标准，QC2.0划时代的改变了充电电压，从保持多年的常规5V提升至9V/12V/20V，与QC1.0保持相同2A电流下实现了18W大功率电力传输，并且线材不需要特殊处理就有材料都能通用。

增大电压功率是上去了，效率却下降了，电压每提高一档，效率约下降10%，这些能量大部分都转换为热量，所以20V电压档几乎就没有人用了，只保留了5V，9V，12V三个档，即便如此还是散热很大，高通此时觉得5V和9V步子迈得有点大了，用户难以接受，于是设置了电压微调节，以0.2V为单位不断调节直到找到最合适的电压，多大电压合适？高通自己有独特的电压智能协商算法（INOV）,这就是QC3.0。

QC3.0:发布于2015年，接口为USB-A/USB-C，在QC2.0在9V/12V两档电压基础上，进一步细分电压档，采用独特的算法（INOV），以0.2V为单位不断调节直到找到最合适的电压，电压调节范围为3.6v~20V，并且向下兼容QC2.0。

此时市场上出现了Type-C接口，全面取代了原来的MicroUSB接口，最大电流也提升到了3A，因为电压更低所以效率提升高达38%，充电速度提升27%，发热降低45%。在快充方面快充展现出了应有的优势，但是这个与谷歌退出的USB PD协议产生了冲突，对于使用谷歌系统的高通只能向谷歌低头，为了进行兼容，高通推出了QC4.0。

QC4.0:发布于2016年，接口为USB-C，再次提升功率至28W,并且加入USB PD支持，取消了12V电压档，5V最大可输出5.6A，9V最大可输出3A，并且电压档继续细分以0.2V为一档。

QC4.0+:发布于2017年，接口为USB-C，在USB PD3.0，PPS的基础上，增加了QC3.0，QC2.0的兼容支持。

QuickCharge是由高通主导的快速充电技术，主要解决硬件不同环境下的电池快速充电。以高通QC2.0为例，在不改变接口的情况下进一步提高充电速度，就需要引入更高的充电电压（HVDCP）。高通为USB接口设计了一套通过改变USB接口d+，d-两脚电压，实现充电头手机相互识别的握手协议，在手机通过握手协议申请更高电压后，充电器就输出手机申请的电压，这就是高通QC2.0的充电方式。根据电压档位的不同，又可以细分为classa和classb两个版本，其中A级标准支持5V，9V和12V三种电压，适用于智能手机和平板电脑以及其他便携式电子设备。B级则支持20V电压，最大可以输出40W功率，应用于对充电速度要求更高的设备。

现有QC3.0常见方案为输出5V/2.5A（方案一），9V2A（方案二），12V1.5A（方案三），标称最大输出功率18W。当使用QC3.0技术为手机充电时，手机会根据使用环境选择不同的充电方式，以达到快速安全充电。

高通于2016年11月发布了QC4.0，并仅仅于7个月之后的2017年6月快速更新到QC4+，先行发布的QC4.0采用更精细的INOV机制，调幅步进从QC3.0的200mV调整为20mV，而且支持Dual Charge技术，充电速度提升了20%，充电效率提升了30%，而且QC4.0开始支持USB-C接口和USB PD协议。

紧随 QC 4.0 升级的 QC 4+ 协议进行了更大大幅更新，包括： Dual Charge：支持额外一颗电源管理芯片，充电电压转换效率更高、充电速度更快；智能热量平衡：优化 Dual

Charge，自动分配电流路径，优化电量输送；高级安全功能：同时监控设备适配器和端口的温度，防止线路过热、短路，避免损坏 USB-C 接口。至此，QC 发展到了现今的成熟阶段。而在 QC 发展的过程中，PD 协议同样在逐步完善。

早在 2012 年 7 月，USB-IF 就已经发布了基于当时普遍存在的 USB-A 和 USB-B

接口的 USB PD（USB Power Delivery）1.0 供电规范，描绘了 USB 3.0 和 USB 2.0 接口最高可达 100W 供电能力的美好想象，但是直到 USB-C 接口的出现，这一想象才开始成为现实。

在高通 QC 2.0 版本发布的 2014 年，USB-IF 同时发布了 PD 2.0 协议以及其载体——USB Type-C 1.0 接口标准。与 Micro-USB 相比，USB-C（USB Type-C）接口最大支持 20V

5A 的电力传输，天然更适合快充。但是由于此时 USB-C 接口并非智能手机主流接口，所以高通 QC 协议为首的第三方快充协议依然是市场主流。甚至在 2017 年 2 月 USB-IF

发布基于 PD 2.0 协议优化的 PD 3.0 协议时，各种第三方快充协议占地称王的局面也没有明显改善。

直到 2017 年 5 月 USB-IF 推出 USB PD 3.0 协议的 PPS（Programmable Power

Supply，可编程电源供应）规范，才最终标志了快充标准的最终统一。

在 PPS 规范加入了对高压低电流和低压高电流两种快充方式的支持，同时学习 QC 4+

的 INOV 引入了 20mV 调幅步进自适应调整电压的机制。不过这并非 PPS 的全部，PPS

规范中影响最大的一点是，USB-IF 利用自己规则制定者的身份，强行定义了 USB 接口不允许以 USB PD 以外的协议实现电压调整，但是同时，USB-IF 允许第三方快充协议通过兼容 USB PD 的方式继续存在。这一杀手锏意味着的 USB-IF 只给了第三方快充协议两个选择：死亡，或者被收编。

快充的充电阶段可以分为恒定电流预充电（小电流）、恒定电流快速充电（大电流）、恒定电压充电（电流由大变小直至充电完成），无论是高压低电流（QC 属于此类）抑或是低压高电流，都必然需要经由 USB-C 接口调整电源适配器的输入电压。所以，PPS 规范宣布禁用非兼容 PD 协议的第三方快充协议调整 USB 电压的权限，无疑是对高通们的最终

通牒。

但是 USB-IF 并未堵死所有第三方快充协议的活路，只要承认 USB PD 的地位、接受被收编，第三方快充协议依然可以在自己的小王国里仿照苹果 MFi 向配件厂商收取授权费。

（3）联发科PE+2.0快充协议

联发科推出自己的快充协议--Pump Express。Pump Express特点：允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压，由PMIC发出脉冲电流指令通过USB的Vbus传输给充电器，充电器依照这个指令调变输出电压，电压逐渐增加至高达5V达到最大充电电流。

Express为快速直流充电器提供输出功率，小于10W（5V），受控输出电压：5V/4.8V/4.6V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V，主流输出功率：5V/1A，5V/1.5A。

Express Plus为充电器提供的输出功率大于15W，其差别为受控输出电压增加了12V，9V，7V三个档位，为12V/9V/7V/5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V。联发科MTP Pump Express Plus的原理和高通Quick Charge大同小异，都是在保证充电电流2A的基础上，通过加大充电器到手机USB端口的电压来实现更大的功率。

Express3.0仅需20分钟就能将智能手机电池从零充到70%。通过Pump

Express3.0,使用者只要充电5分钟，手机就能够通话长达四小时。联发科表示，此速度是市场上竞争方案的两倍，且比起传统快充充电技术快了5倍之多。此外Pump Express3.0是全球首款采用USB TYPE-C接口进行直接快充的方案，直接充电可以绕过手机内部的充电线路，而且电源适配器的电流直接流到电池，从而防止充电时手机发烫。

Pump Express3.0的主要功能为：更快充电速度，更高的效率，充电时更低的手机温度；另外充电Pump Express3.0功率损耗比Pump Express2.0减少了50%。主要应用在MTK 6757，MT6797等高端平台。

硬件需求：第一，使用TYPE-C接口，支持USB-PD协议；第二，PD的充电接头，可以跨平台NB,Tablet,Monitor,Phone。第三，采用标准TYPE-C 5A CABLE线缆传输。第四，直充开关。第五，电芯支持1.5C or 2.0C充电电流。

最高可达到5.8V/6A的输出标准，总功耗达到34.8W。

（4）BC1.2快充协议

BC1.2（Battrry Charging v1.2）是USB-IF下属的BC（Battery Charging）小组制定的协议，主要用于规范电池充电的需求，该协议最早基于USB2.0协议实现。

（1）BC1.2充电端口

USB2.0协议规定外设从USB充电器抽取电流的最大值为500mA，但是随着快充市场的需求发展，500mA的电流已经无法满足，因此BC1.2引入了充电端口的识别机制，主要包括以下几个USB端口类型：

1.标准下行端口（SDP） SDP端口支持USB协议，最大电流500mA,可以认为SDP就是普通的USB接口。

2.专用充电端口（DCP） DCP不支持数据协议，不支持快充，可以提供大电流，DCP主要用于墙充等专用充电器。

3.充电下行端口（CDP）

CDP既支持数据协议也支持快充

（2）BC1.2协议识别过程

1、VBUS Detect Vbus检测

PD（portable device,便携式设备中）有个检测VBUS是否有效的电路，电路有一个参考值，高于这个值就认为是VBUS有效了，参考值不固定一般在0.8~4V之间。

2、Data Contact Detect数据连接检测

这个阶段是必须的，因为USB端口可能支持数据协议也可能不支持。如果这个阶段超时900ms还没有检测到D+或ID PIN的连接，就要求必须开始进行Primary Detection。

3、Primary Detection首次检测

该阶段主要作用是判断端口是充电口还是数据口；

首先将PD+拉高至0.6v，然后检测PD-的电压，如果小于规定的参考电压则端口是数据口SDP;如果大于参考电压则是充电口CDP或者DCP.

4、Secondary Detection二次检测

该阶段作用是确认充电口能否支持数据协议，即区分CDP和DCP;

首先将PD-拉高至0.6V，然后检测PD+的电压，如果小于规定的参考电压则端口是CDP;如果大于规定的参考电压说明端口是DCP。

（5）Fcp协议

华为快充协议，基于“USB PD快速充电标准”发展出来，FCP工作在9V左右，电流最大2A，最高达到9V/2A（18W）快充输出功率。

（6）MTK快充协议

联发科快充协议MTK PE+,充电电压为5V，7V，9V，12V

（7）SCP协议

4.5VV左右的快充，最大电流5A，功率22.5W，但需要配合华为支持5A电流传输的线缆才能实现超级快充。同时支持这两个快充协议芯片的有智融的SW6206/SW6208，车充适配器方面有SW3518/SW3516，SW3517/SW3515。

（8）VOOC闪充快速充电技术

（9）Afc协议

三星快充协议

五．主流USB接口形式--Type-C

2015年CES大展上,Intel联合USB实施者论坛向公众展示了USB3.1的威力，具体搭配的接口就是USB Type C,能够正反插拔，大小也与Micro-USB（大小8.3mm*2.5mm）相差无几。理论上，USB3.1 Type-C的传输速度能够达到10Gbps，Type-C端口默认最高可支持5V3A。

接口引脚：由Type-C的接口引脚图可以看出每个引脚都有自己的作用，中心对称因此支持正反插。

TX/RX：两组差分信号，用于数据传输

CC1/CC2：两个关键引脚，作用很多。配置通道，这是USB Type-C里新增的关键通道，，它具有检测正反插，检测USB连接识别可以提供多大的电流和电压，USB设备间数据和VBUS的连接建立与管理。

探测连接，区分DFP，UFP。DFP（Downstream Facing Port），下行端口，可以理解为Host，DFP提供VBUS，可以提供数据。在协议规范中DFP特指数据的下行传输，笼统意义上指的是数据下行和对外提供电源的设备。典型的DFP设备是电源适配器。UFP（Upstream

Facing Port）,上行端口，可以理解为Device，UFP从VBUS中取电，并可提供数据，典型设备是U盘，移动硬盘。DRP（Dual Role Port）,双角色端口，DRP既可以做DFP（HOST）,又可以做UFP（Device）,也可以在DFP与UFP之间动态切换，典型的DRP设备是笔记本电脑。

配置Vbus，有USB Type-C和USB Power Delivery（功率输出）模式

配置Vconn,当线缆内有芯片时，一个cc传输信号，一个cc变成供电Vconn配置其他模式，音频配件等。

Electronically Marked Cable:封装有E-Marker芯片的USB Type-C有源电缆，DFP和UFP利用PD协议可以读取该电缆的属性，电源传输能力，数据传输能力，ID信息等，所有全功能的Type-C电缆都应该封装有E-Mark,但USB2.0 Type-C电缆可以不封装E-marker。

GND和VBus，各4个，因此传输功率强

D+和D-是来兼容USB之前的标准的

Type-C母座引脚排列图

High speed data path

（TX for USB,or for

（RX for USB,or

DP ALT MODE）

USB 2.0 interface

TX for DP ALT

GND

TX1+

TX1-

Vbus

CC1

D+

D-

SBU1

Vbus

A10

Rx2-

A11

Rx2+

A12

GND

RX1+

RX1-

Vbus

SBU2

D-

D+

CC2

Vbus

TX2-

TX2+

GND

B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1

Cable Ground

Cable Bus Power

TYPE-C公头排列图

A12

GND

Cable Bus Power

Plug configuration detection

One becomes Vconn,cable

power

CC is uses for USB-PD

communication

A11

RX2+

A10

RX2-

Vbus

SBU1

D-

D+

Vbus

TX1-

TX1+

GND

TX2+

TX2-

Vbus

VCONN

SBU2

Vbus

RX1-

RX1+

GND

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12

工作主从机连接如下：

DFP为主，UFP为从，DRP可以做主，也可以作为从，取决于接什么；DFP的CC脚有上拉电阻Rp,UFP有下拉电阻Rd，说明连接上，DFP打开VBus开关开始供电，而哪个CC脚（CC1,CC2）检测到下拉电阻就确定接口插入方向，顺便切换RX/TX。

两个CC,实际上在不含芯片的线缆里只有一根CC线；含有芯片的线缆中也不是两根CC线，而是一根cc线缆，一根Vconn，用来给线缆里的E-Marker芯片供电3.3V或5V，这时的CC端就没有下拉电阻Rd，而是下拉电阻Ra，800~1200欧姆。

USB Type-C中新增了电流检测与使用功能，新增三种电流模式：默认的USB电源模式（500mA/900mA）,1.5A,3.0A三种电流模式由CC管脚来传输和检测，对于需要广播电流输出能力的DFP而言，需要通过不同值的CC上拉电阻Rp来实现；对于UFP而言，需要检测CC管脚上的电压值来获取对方DFP的电流输出能力，CC线在两台设备连接期间

能起到定义电源角色的作用。

USB Type-C系统带来的另一个好处是较高的供电能力，传统的USB电缆只容许提供2.5W功率，USB Type-C电缆则容许提供高达5V/3A即15W的最大功率，如果采用电源传输协议（PD）,电压和电流指标就可以提升到20V/5A即100W的最大功率，这就容许通过USB端口为大型设备如监视器等设备供电，也容许对含有大型电池包的笔记本电脑等设备进行充电。新的USB PD 3.0协议还支持可编程电源（Programmable Power Supply,PPS）协议，容许对总线电压和电流进行精确调节，而电压则可以低于5V。利用这样的协议，使用可调的总线电压对电池进行直接充电的高效直充系统成为可能，这时的总线电压可以低达3V。标准的Type-C电缆额定负载能力是3A，当更高的电流出现时，含有电子标签的电缆就必须被使用，其中的电子标签可经CC线对电缆的能力进行标识，电子标签需要电源供应是5V，可用CC线径由电缆的VCONN向其提供。

经由TX/RX线对提供的10Gbps高速通讯能力使原来必须由专门线缆提供通讯如HDMI/DISPLAYPORT/THUNDERBOLT等经由USB电缆进行传输成为可能，4k的高清视频信号传输也完全没有问题。使高清HDMI信号经由USB TYpe-C电缆传输的应用需要将电缆的数据线进行特殊的配置，这被称为替换模式（Alternate mode）

市场上Type-C接口种类的分类：

市场上目前存在很多的Type-C接口，但是真正具备全功能的很少，如果将整个功能全部集成进去的话，这个接口的成本会变得比较贵，很多情况下，设备只是具备了Type-C的一部分功能。

（1）只有Type-C，即支持正反插，普通数据传输

（2）支持Type-C，支持PD协议，可以快速充电

（3）支持Type-C,支持PD协议，支持高速信号，支持超快充电

（4）全功能，支持Type-C，支持PD协议，支持高速信号，支持超快充电，支持HDMI，displayport等其他协议。

Type-C类别不同的传输协议，支持不同的协议，标识也不同

（1）只带有USB标识：表示支持USB2.0,普通的速率为480Mb/s

（2）带有USB标识，外加SS字样：表示支持USB3.1,普通的速率为5Gb/s

（3）带有USB标识，外加SS字样，右上角多了数字10：表示支持支持USB3.1,普通的速率为10Gb/s

（4）带有USB标识，外加SS字样，右上角多了数字10，右边增加D字样：表示支持支持USB3.1,普通的速率为10Gb/s，支持视频显示。

（5）带有USB标识，且有一个黑色的背景：全部支持PD协议，其中5Gb/s的字体为白色，其余均与上文一致。

2024年1月8日发(作者：鲍丹亦)

快充技术原理与快充协议总结

一．快充技术的发展和USB接口的衍化

（1）快充技术的发展

除了在手机相关的产品上使用快充技术外，小米等厂商将家中随处可见的插线板也植入

（2）USB接口的衍化

传输速度的变化

USB 3.0极大提高传输带宽，理论速度达到5Gbps,提供了更好的电源管理，支持待机，休眠，暂定等状态，更快识别器件，最大输出电流为5V/500mA。

USB 3.1追求更快速度，理论速度达到了10Gbps，达到了 USB 3.0的两倍，最大输出电流20V/5A。

接口形式的变化

（1）USB Type-A

USB Type-A接口是最常见的USB接口，英文名字为Standard Type-A,也是最常见的USB接口，USB鼠标，键盘，以及普通的优盘都是USB Type-A接口。

表1 USB引脚定义

NAME

VCC

D-

D+

GND

Description

+5V VDC

Data-

Data+

Ground

图1 USB Type-A引脚定义图2 USB Type-A接口图片

（2）USB Type-B

①Type-B（标准版公） Type-B（3.0版公） Type-B（标准版母）

表2 USB引脚定义

NAME

VCC

D-

D+

GND

Description

+5V VDC

Data-

Data+

Ground

图3 USB Type-B引脚定义图4 USB Type-B实物图

②Mini-USB

表3 mini-USB引脚定义

FUCTION

V_BUS

DATA-

DATA+

GND

COLOR

红

白

绿

黑

备注

电源+5V

数据-

数据+

A型：与地相连

B型：不与地相连（空）

地

图5 Mini USB2.0的A型及B型口

图6 Mini USB2.0的A型，B型口及AB型口

③Micro-USB

Micro-USB是Mini-USB的下一代规格，Micro-USB标准版也分为A型和B型.

图7 Micro-USB-A和 Micro-USB-B型接口图

当 Micro-USB升级3.0之后，有一些变动，如下图8所示。

图8 Micro-USB-A和 Micro-USB-B型接口升级图

图9 普通USB-A接口与Micro-USB接口对比

图10 Micro_USB_B3.0引脚定义图

（3）USB Type-C

Micro_USB_B3.0进一步发展，全新的接口形式，支持正反插拔，拥有更多的针脚，最高可支持USB 3.1协议。

Type-C母座引脚排列如下表

High speed data path

（TX for USB,or for

（RX for USB,or

DP ALT MODE）

USB 2.0 interface

TX for DP ALT

GND

TX1+

TX1-

Vbus

CC1

D+

D-

SBU1

Vbus

A10

Rx2-

A11

Rx2+

A12

GND

RX1+

RX1-

Vbus

SBU2

D-

D+

CC2

Vbus

TX2-

TX2+

GND

B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1

Cable Ground

Cable Bus Power

TYPE-C公头排列如下表

A12

GND

Cable Bus Power

Plug configuration detection

One becomes Vconn,cable

power

CC is uses for USB-PD

communication

A11

RX2+

A10

RX2-

Vbus

SBU1

D-

D+

Vbus

TX1-

TX1+

GND

TX2+

TX2-

Vbus

VCONN

SBU2

Vbus

RX1-

RX1+

GND

B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12

图11 Type-C接口图

（4）USB接口支持的传输协议

图12 各USB接口类型支持的传输协议

二．快充技术原理

基础计算公式：

PWUII2R

那目前市面上动不动就40w的快充怎么来的呢？

寿命其实也不需要担心。现在电池基础技术，虽然没有太大的突破，但是肯定是慢慢完善的，快充对电池寿命的影响必然也在可接受范围之内。

三．充电技术应该考虑的问题

（1）电池的接受能力

（2）适配器的功率提供能力

（3）手机的充电管理和散热

对此高通做出了很大的努力去说服USB-IF组织，试图在TYPE-C接口中，共存QC和PD,但是别拒绝了。

安全靠谱的全兼容快充方案，只有一种：

（1）单口输出；

（2）支持全速18W（9V/2A）;

（3）最大电流3A;

（4）不需要带芯片（eMarker）的数据线。

四．快充技术的协议分类

手机快速充电主要分为四大家族：

高通Quick Charge快速充电技术，（QC2.0，QC3.0，QC4.0）；

联发科Pump Express Plus快速充电技术（Pump Express和Pump Express Plus）；

Oppo的VOOC闪充快速充电技术（SuperVOOC和VOOC）；

兼容Quick Charge协议和海思快充协议的华为快充协议。

高通Quick Charge 2.0，高通Quick Charge 2.0技术是Quick Charge 1.0的升级版本，采用了新的规范。通过同时加大电流与电压的方法来提高充电速度。

（1）USB PD协议

为什么选用Type-C的接口作为输出？是因为USB TYPE-C具有我们普通的USB

图13 USB3.1_A口与USB TYPE-C的区别对比图

USB PD3.0规范定义了下列电源配置清单：

（2）高通QC快充

目前高通的快充技术版本已经发布了QC4.0，但是市面上常见的快充标准大多数为QC2.0和QC3.0两种。

QC4.0+:发布于2017年，接口为USB-C，在USB PD3.0，PPS的基础上，增加了QC3.0，QC2.0的兼容支持。

早在 2012 年 7 月，USB-IF 就已经发布了基于当时普遍存在的 USB-A 和 USB-B

在高通 QC 2.0 版本发布的 2014 年，USB-IF 同时发布了 PD 2.0 协议以及其载体——USB Type-C 1.0 接口标准。与 Micro-USB 相比，USB-C（USB Type-C）接口最大支持 20V

发布基于 PD 2.0 协议优化的 PD 3.0 协议时，各种第三方快充协议占地称王的局面也没有明显改善。

直到 2017 年 5 月 USB-IF 推出 USB PD 3.0 协议的 PPS（Programmable Power

Supply，可编程电源供应）规范，才最终标志了快充标准的最终统一。

在 PPS 规范加入了对高压低电流和低压高电流两种快充方式的支持，同时学习 QC 4+

的 INOV 引入了 20mV 调幅步进自适应调整电压的机制。不过这并非 PPS 的全部，PPS

通牒。

（3）联发科PE+2.0快充协议

Express为快速直流充电器提供输出功率，小于10W（5V），受控输出电压：5V/4.8V/4.6V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V，主流输出功率：5V/1A，5V/1.5A。

Express3.0仅需20分钟就能将智能手机电池从零充到70%。通过Pump

最高可达到5.8V/6A的输出标准，总功耗达到34.8W。

（4）BC1.2快充协议

BC1.2（Battrry Charging v1.2）是USB-IF下属的BC（Battery Charging）小组制定的协议，主要用于规范电池充电的需求，该协议最早基于USB2.0协议实现。

（1）BC1.2充电端口

1.标准下行端口（SDP） SDP端口支持USB协议，最大电流500mA,可以认为SDP就是普通的USB接口。

2.专用充电端口（DCP） DCP不支持数据协议，不支持快充，可以提供大电流，DCP主要用于墙充等专用充电器。

3.充电下行端口（CDP）

CDP既支持数据协议也支持快充

（2）BC1.2协议识别过程

1、VBUS Detect Vbus检测

PD（portable device,便携式设备中）有个检测VBUS是否有效的电路，电路有一个参考值，高于这个值就认为是VBUS有效了，参考值不固定一般在0.8~4V之间。

2、Data Contact Detect数据连接检测

3、Primary Detection首次检测

该阶段主要作用是判断端口是充电口还是数据口；

首先将PD+拉高至0.6v，然后检测PD-的电压，如果小于规定的参考电压则端口是数据口SDP;如果大于参考电压则是充电口CDP或者DCP.

4、Secondary Detection二次检测

该阶段作用是确认充电口能否支持数据协议，即区分CDP和DCP;

首先将PD-拉高至0.6V，然后检测PD+的电压，如果小于规定的参考电压则端口是CDP;如果大于规定的参考电压说明端口是DCP。

（5）Fcp协议

华为快充协议，基于“USB PD快速充电标准”发展出来，FCP工作在9V左右，电流最大2A，最高达到9V/2A（18W）快充输出功率。

（6）MTK快充协议

联发科快充协议MTK PE+,充电电压为5V，7V，9V，12V

（7）SCP协议

（8）VOOC闪充快速充电技术

（9）Afc协议

三星快充协议

五．主流USB接口形式--Type-C

接口引脚：由Type-C的接口引脚图可以看出每个引脚都有自己的作用，中心对称因此支持正反插。

TX/RX：两组差分信号，用于数据传输

配置Vbus，有USB Type-C和USB Power Delivery（功率输出）模式

配置Vconn,当线缆内有芯片时，一个cc传输信号，一个cc变成供电Vconn配置其他模式，音频配件等。

GND和VBus，各4个，因此传输功率强

D+和D-是来兼容USB之前的标准的

Type-C母座引脚排列图

High speed data path

（TX for USB,or for

（RX for USB,or

DP ALT MODE）

USB 2.0 interface

TX for DP ALT

GND

TX1+

TX1-

Vbus

CC1

D+

D-

SBU1

Vbus

A10

Rx2-

A11

Rx2+

A12

GND

RX1+

RX1-

Vbus

SBU2

D-

D+

CC2

Vbus

TX2-

TX2+

GND

B12 B11 B10 B9 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1

Cable Ground

Cable Bus Power

TYPE-C公头排列图

A12

GND

Cable Bus Power

Plug configuration detection

One becomes Vconn,cable

power

CC is uses for USB-PD

communication

A11

RX2+

A10

RX2-

Vbus

SBU1

D-

D+

Vbus

TX1-

TX1+

GND

TX2+

TX2-

Vbus

VCONN

SBU2

Vbus

RX1-

RX1+

GND

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12

工作主从机连接如下：

能起到定义电源角色的作用。

市场上Type-C接口种类的分类：

（1）只有Type-C，即支持正反插，普通数据传输

（2）支持Type-C，支持PD协议，可以快速充电

（3）支持Type-C,支持PD协议，支持高速信号，支持超快充电

（4）全功能，支持Type-C，支持PD协议，支持高速信号，支持超快充电，支持HDMI，displayport等其他协议。

Type-C类别不同的传输协议，支持不同的协议，标识也不同

（1）只带有USB标识：表示支持USB2.0,普通的速率为480Mb/s

（2）带有USB标识，外加SS字样：表示支持USB3.1,普通的速率为5Gb/s

（3）带有USB标识，外加SS字样，右上角多了数字10：表示支持支持USB3.1,普通的速率为10Gb/s

（4）带有USB标识，外加SS字样，右上角多了数字10，右边增加D字样：表示支持支持USB3.1,普通的速率为10Gb/s，支持视频显示。

（5）带有USB标识，且有一个黑色的背景：全部支持PD协议，其中5Gb/s的字体为白色，其余均与上文一致。

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