統一充電江湖

USB PD充電協議的發展簡史

作為歷史上通用性和兼容性最佳的接口，USB在誕生之初就提供了供電（即給其他數碼產品充電）的功能。只是，USB默認的供電能力非常差，USB1.x和USB2.0僅支持5V/0.5A（2.5W），USB3.0也不過5V/0.9A（4.5W），早些年很多用戶都嘗試過用PC給手機充電（圖1），但充電速度極慢，背后的原因就是USB接口先天的供電限制。

USB PD1.0的愿景

2010年，USB-IF（USB標準化組織）推出了BC1.2協議（BatteryCharging1.2），它引入了充電端口的識別機制，從而可以實現基于USB2.0接口的5V/1.5A（7.5W）供電能力。2012年，USB-IF組織又給業內畫了一張“大餅”，發布了基于USB-A和USB-B型接口的USBPD1.0（USBPowerDelivery1.0）協議標準，描繪了最高可達100W供電能力的美好愿景（圖2）。不過，所謂“愿景”就是想想就好，直到2014年USBType-C型接口的出現（圖3），USB才真正實現了百瓦級別的供電能力。

隨著智能手機內置鋰電池容量以及耗電量的不斷增加，哪怕是USBBC1.2也無法滿足用戶的充電需求。于是高通第一個跳了出來，在2013年發布了QC1.0（QuickCharge1.0）快充技術，基于USB-A和MicroUSB接口（USB2.0）就可以實現5V/2A（10W）的充電能力。隨后，聯發科也推出了自家的PE（PumpExpress）快充技術與QC對飚，在私有快充協議出現之前，支持QC和PE快充技術的智能手機都將它們作為主打賣點之一。

USB PD2.0的百瓦震撼

2014年是一個非常重要的年份。這一年高通推出了QC2.0快充技術，支持18W～24W充電功率（9V/2A～12V/2A）;OPPO通過魔改USB-A和MicroUSB針腳（圖4）、數據線和添加獨立的識別芯片，帶來了高達22W（5V/4.5A）的VOOC閃充技術，開創了智能手機快充技術的私有協議先河;借著USBType-C接口崛起的契機，USB-IF組織也發布了USBPD2.0充電協議（圖5），支持5V、9V、12V、15V和20V五檔電壓，可以實現從15W（5V/3A）～100W（20V/5A）的充電功率（圖6），著實嚇壞了不少小朋友。

2015年底，USB-IF組織發布了更成熟的USBPD3.0充電協議（圖7），較之2.0版本增加了對設備內置電池特性更為詳細的描述、可通過PD通信進行設備軟硬件版本識別和軟件更新以及數字證書及數字簽名功能。可惜此時USBType-C接口還未普及，而智能手機領域也正處于高通QC2.0/3.0（圖8）、聯發科PE2.0、OPPOVOOC（一加DASH）、華為FCP、魅族mCharge、摩托羅拉TurboCharge等多種快充技術混戰的時期，而業內也陷入了“低壓大電流”（如VOOC）和“高壓低電流”（如QC2.0）兩種快充方案誰更好的口水戰之中。

USB PD的普及之光

好消息是，原本“姥姥不疼舅舅不愛”的USBPD協議被兩個大佬看中了。2017年，蘋果新一代iPhone8和NewMacBook開始正式支持USBPD充電協議，谷歌也在這一年要求今后凡是預裝Android7.0（或更新）系統新款手機的私有協議需要兼容USBPD。為了提前配合這兩個行業大佬，USB-IF組織在2017年2月便發布了USBPD3.0協議的“補丁”，名為“PPS”（ProgrammablePowerSupply，可編程電源）的重要更新，通過更精準的電壓調幅能力適配更多類型的設備并提升安全性（圖9），旨在為市面上的快速充電解決方案提供統一的規范（圖10）。

以高通為例，QC4.0還未全面商業化，就不得不迎合谷歌的要求推出了支持USBPD3.0+PPS的QC4+，如今包括VOOC在內的其他私有協議也全面兼容USBPD充電協議（如無特別說明，下文特指USBPD3.0+PPS）。與此同時，越來越多的筆記本（以輕薄本為主）也逐漸將USBType-C作為充電接口，支持45W～100W的USBPD充電。

問題來了，雖然如今絕大多數新款手機都已支持USBPD，但在搭配USBPD充電器時卻僅能實現最高18W左右的充電功率，而如果換成支持私有協議的原裝充電器，卻能獲得30W～120W的極速閃充。同時，雖然很多高配置的游戲本也開始配備支持USBPD充電功能的USBType-C接口，但USBPD的100W供電上限卻僅能讓其運行在省電或平衡模式，“帶不動”高性能模式下的游戲場景。

那么，USB PD又該如何應對來自未來的需求呢？

向240W發起沖擊的USB PD3.1

2021年5月，USB-IF組織發布了最新的USB PD3.1協議標準，試圖將智能手機、筆記本電腦、穿戴式和IoT設備、智能家居、通信和安防設備以及電動車都納入到PD的充電版圖中來。

SPR和EPR兩種規范

簡單來說，USBPD3.1包含“SPR”（StandardPowerRange，標準功率范圍）和“EPR”（ExtendedPowerRange，擴展功率范圍）兩種規范（圖11）。其中，SPR就是現有的USBPD3.0+PPS，支持15W～100W的充電功率。而EPR則在前者的基礎上，新增了28V、36V和48V三種固定電壓檔和三種AVS可調電壓檔（AdjustableVoltageSupply），它們與早期的USBPD協議的充電能力差異如下（表1）。

沒錯，USBPD3.1賦予了與其搭檔的USBType-C接口最高240W的充電能力，48V/5A的輸出功率已經足夠給兩輪電動車充電了（圖12）！未來，從智能手表、智能手機、武裝RTX3080級別獨顯的游戲本再到兩輪電動車都采用一種充電接口和充電協議時，完美的兼容時代想想就非常美好。

不過，對充電進化歷史稍有了解的朋友肯定已經意識到一個問題，隨著USB PD3.1協議的出現，充電線纜也該換了。

來自充電線纜的新需求

本刊曾在2020年第23期《小線纜大門道深入了解USBType-C數據線》一文中介紹過USBType-C接口的充電線纜，凡是支持5A電流（或更高的傳輸速度以及視頻輸出能力）的線纜都需在接頭內添加額外的E-Marker芯片（圖13）。目前市售的5A充電線纜都適用于USBPD3.1SPR規范，但要想實現EPR規范的140W～240W充電功率，還需要在Source，Sink和Cable之間通過EPR特定信息握手才能由SPR進入到EPR狀態。如果充電線纜是固定在充電器上的CaptiveCable，則需要Source和Sink之間握手。

換句話說，USBPD3.1時代將存在20V等級的標準型5A充電線纜（可以給手機和輕薄本充電）以及針對EPR規范特別定制50V等級的5A充電線纜（適用于游戲本和兩輪電動車），后者對于內部用料的要求更高（圖14），價格也會水漲船高。同理，支持EPR規范的充電器也需要重新定制并強化安全屬性，哪怕有著氮化鎵的加持此類充電器的尺寸也會遠高于現有的100WUSBPD充電器，價格自然也更加昂貴。

但無論如何，USBPD3.1總算是讓我們看到了江湖一統的曙光，如果EPR規范可以大規模普及，一個240WPD充電器（包括50V等級的5A充電線纜）在家能充游戲本，在外能充電動車，找不到設備A的原裝充電器用設備B的充電器也能充電，這種全場景的充電體驗非常美好。

手機通用快充方案加速進行時

雖然手機廠商在谷歌的倡導下，讓所有配備Type-C接口的手機都開始兼容PD充電協議，但使用PD充電器時的實際充電功率卻大都被限制到了18W以內，想要實現30W+的快充，就必須使用私有協議。好消息是，這個問題有望在未來得到解決。

各自為戰的私有協議

目前哪怕千元價位手機也已開始普及30W+充電功率，2000元價位手機則開始普及65W+，而頂配旗艦則有不少已經用上了100W+的極速閃充（表2）。

私有快充協議是體現手機品牌研發實力，打破同質化提升競爭底蘊的核心賣點之一（圖15）。但對于消費者而言，私有協議之間互不兼容，跨品牌使用時的體驗就非常差勁兒了，還會衍生出資源浪費和環境污染等更嚴重的問題。

UFCS快充規范出爐

為了解決手機充電技術的“內卷”問題，電信終端產業協會在前不久發布了融合快充標準《移動終端融合快速充電技術規范》，并由綠色能源工作組（WG10）、信通院、華為、OPPO、vivo、小米、榮耀、矽力杰、瑞芯微、立輝科技、昂寶電子、電酷網絡等多家終端、芯片企業和產業界伙伴聯合制定了UFCS（Universal Fast ChargingSpecification）快充規范（圖16）。

簡單來說，UFCS快充規范采用連續調節模式，輸出電壓分為5V、10V、20V、30V四個可編程的檔位（類似USBPD3.0 PPS調壓）。同時，UFCS快充標準還規定由供電設備和充電設備共同完成線纜電子標簽信息的獲取，并強制充電設備增加線纜阻抗檢測功能（圖17）。當電流>6.5A時，需要增加UFC S線纜電子標簽;當4A<通路電流≤6.5A 時，建議增加UFCS線纜電子標簽，也可支持其他線纜識別方案;當線纜通流≤4A時，不需要識別線纜，采用根據線纜阻抗來匹配線纜通流能力（圖18）。

理性看待通用快充方案

就目前來看，UFCS快充規范有利于緩解各種私有充電協議間互不兼容的局面，但指望它在短期內一統“手機充電江湖”卻并不現實。畢竟私有協議是手機廠商花大價錢研發的，也是可以提高辨識度和影響力的核心技術。

UFCS快充規范最大的意義，是讓私有協議之間“求同存異”，只要充電器、手機和數據線之間握手成功，就能以超過30W+級別的功率相互充電。但要想達到私有協議的充電功率上限（如100W+），短期內還是需要用自家的充電器配自家的手機。以小米演示的“魔改”小米11 Pro所支持的200W有線快充為例，這款產品的接口并非標準的USB Type-C（圖19），而且通過雙電芯+20V/10A方案實現了200W快充能力，而10A的充電線纜顯然已經超過了USB PD 5A線纜的供電上限。

無論如何，USB PD3.1的商業化，還是給予了UFCS快充規范更多的可能，從15W～240W都在這個USB PD3.1的覆蓋范圍內，整個產業鏈的協同合作也較之手機廠商單打獨斗更有效率。作為消費者，我們自然希望未來手機廠商的私有快充協議都能兼容65W甚至100W的USB PD充電，如此一來隨便買一個高功率的USB PD充電器，就能同時滿足輕薄本和智能手機全速充電的需求了。