USB PD充电协议的发展简史

作为历史上通用性和兼容性最佳的接口，USB在诞生之初就提供了供电（即给其他数码产品充电）的功能。只是，USB默认的供电能力非常差，USB1.x和USB2.0仅支持5V/0.5A（2.5W），USB3.0也不过5V/0.9A（4.5W），早些年很多用户都尝试过用PC给手机充电（图1），但充电速度极慢，背后的原因就是USB接口先天的供电限制。

USB PD1.0的愿景

2010年，USB-IF（USB标准化组织）推出了BC1.2协议（BatteryCharging1.2），它引入了充电端口的识别机制，从而可以实现基于USB2.0接口的5V/1.5A（7.5W）供電能力。2012年，USB-IF组织又给业内画了一张“大饼”，发布了基于USB-A和USB-B型接口的USBPD1.0（USBPowerDelivery1.0）协议标准，描绘了最高可达100W供电能力的美好愿景（图2）。不过，所谓“愿景”就是想想就好，直到2014年USBType-C型接口的出现（图3），USB才真正实现了百瓦级别的供电能力。

随着智能手机内置锂电池容量以及耗电量的不断增加，哪怕是USBBC1.2也无法满足用户的充电需求。于是高通第一个跳了出来，在2013年发布了QC1.0（QuickCharge1.0）快充技术，基于USB-A和MicroUSB接口（USB2.0）就可以实现5V/2A（10W）的充电能力。随后，联发科也推出了自家的PE（PumpExpress）快充技术与QC对飚，在私有快充协议出现之前，支持QC和PE快充技术的智能手机都将它们作为主打卖点之一。

USB PD2.0的百瓦震撼

2014年是一个非常重要的年份。这一年高通推出了QC2.0快充技术，支持18W～24W充电功率（9V/2A～12V/2A）;OPPO通过魔改USB-A和MicroUSB针脚（图4）、数据线和添加独立的识别芯片，带来了高达22W（5V/4.5A）的VOOC闪充技术，开创了智能手机快充技术的私有协议先河;借着USBType-C接口崛起的契机，USB-IF组织也发布了USBPD2.0充电协议（图5），支持5V、9V、12V、15V和20V五档电压，可以实现从15W（5V/3A）～100W（20V/5A）的充电功率（图6），着实吓坏了不少小朋友。

2015年底，USB-IF组织发布了更成熟的USBPD3.0充电协议（图7），较之2.0版本增加了对设备内置电池特性更为详细的描述、可通过PD通信进行设备软硬件版本识别和软件更新以及数字证书及数字签名功能。可惜此时USBType-C接口还未普及，而智能手机领域也正处于高通QC2.0/3.0（图8）、联发科PE2.0、OPPOVOOC（一加DASH）、华为FCP、魅族mCharge、摩托罗拉TurboCharge等多种快充技术混战的时期，而业内也陷入了“低压大电流”（如VOOC）和“高压低电流”（如QC2.0）两种快充方案谁更好的口水战之中。

USB PD的普及之光

好消息是，原本“姥姥不疼舅舅不爱”的USBPD协议被两个大佬看中了。2017年，苹果新一代iPhone8和NewMacBook开始正式支持USBPD充电协议，谷歌也在这一年要求今后凡是预装Android7.0（或更新）系统新款手机的私有协议需要兼容USBPD。为了提前配合这两个行业大佬，USB-IF组织在2017年2月便发布了USBPD3.0协议的“补丁”，名为“PPS”（ProgrammablePowerSupply，可编程电源）的重要更新，通过更精准的电压调幅能力适配更多类型的设备并提升安全性（图9），旨在为市面上的快速充电解决方案提供统一的规范（图10）。

以高通为例，QC4.0还未全面商业化，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在内的其他私有协议也全面兼容USBPD充电协议（如无特别说明，下文特指USBPD3.0+PPS）。与此同时，越来越多的笔记本（以轻薄本为主）也逐渐将USBType-C作为充电接口，支持45W～100W的USBPD充电。

问题来了，虽然如今绝大多数新款手机都已支持USBPD，但在搭配USBPD充电器时却仅能实现最高18W左右的充电功率，而如果换成支持私有协议的原装充电器，却能获得30W～120W的极速闪充。同时，虽然很多高配置的游戏本也开始配备支持USBPD充电功能的USBType-C接口，但USBPD的100W供电上限却仅能让其运行在省电或平衡模式，“带不动”高性能模式下的游戏场景。

那么，USB PD又该如何应对来自未来的需求呢？

向240W发起冲击的USB PD3.1

2021年5月，USB-IF组织发布了最新的USB PD3.1协议标准，试图将智能手机、笔记本电脑、穿戴式和IoT设备、智能家居、通信和安防设备以及电动车都纳入到PD的充电版图中来。

SPR和EPR两种规范

简单来说，USBPD3.1包含“SPR”（StandardPowerRange，标准功率范围）和“EPR”（ExtendedPowerRange，扩展功率范围）两种规范（图11）。其中，SPR就是现有的USBPD3.0+PPS，支持15W～100W的充电功率。而EPR则在前者的基础上，新增了28V、36V和48V三种固定电压档和三种AVS可调电压档（AdjustableVoltageSupply），它们与早期的USBPD协议的充电能力差异如下（表1）。

没错，USBPD3.1赋予了与其搭档的USBType-C接口最高240W的充电能力，48V/5A的输出功率已经足够给两轮电动车充电了（图12）！未来，从智能手表、智能手机、武装RTX3080级别独显的游戏本再到两轮电动车都采用一种充电接口和充电协议时，完美的兼容时代想想就非常美好。

不过，对充电进化历史稍有了解的朋友肯定已经意识到一个问题，随着USB PD3.1协议的出现，充电线缆也该换了。

来自充电线缆的新需求

本刊曾在2020年第23期《小线缆大门道深入了解USBType-C数据线》一文中介绍过USBType-C接口的充电线缆，凡是支持5A电流（或更高的传输速度以及视频输出能力）的线缆都需在接头内添加额外的E-Marker芯片（图13）。目前市售的5A充电线缆都适用于USBPD3.1SPR规范，但要想实现EPR规范的140W～240W充电功率，还需要在Source，Sink和Cable之间通过EPR特定信息握手才能由SPR进入到EPR状态。如果充电线缆是固定在充电器上的CaptiveCable，则需要Source和Sink之间握手。

换句话说，USBPD3.1时代将存在20V等级的标准型5A充电线缆（可以给手机和轻薄本充电）以及针对EPR规范特别定制50V等级的5A充电线缆（适用于游戏本和两轮电动车），后者对于内部用料的要求更高（图14），价格也会水涨船高。同理，支持EPR规范的充电器也需要重新定制并强化安全属性，哪怕有着氮化镓的加持此类充电器的尺寸也会远高于现有的100WUSBPD充电器，价格自然也更加昂贵。

但无论如何，USBPD3.1总算是让我们看到了江湖一统的曙光，如果EPR规范可以大规模普及，一个240WPD充电器（包括50V等级的5A充电线缆）在家能充游戏本，在外能充电动车，找不到设备A的原装充电器用设备B的充电器也能充电，这种全场景的充电体验非常美好。

手机通用快充方案加速进行时

虽然手机厂商在谷歌的倡导下，让所有配备Type-C接口的手机都开始兼容PD充电协议，但使用PD充电器时的实际充电功率却大都被限制到了18W以内，想要实现30W+的快充，就必须使用私有协议。好消息是，这个问题有望在未來得到解决。

各自为战的私有协议

目前哪怕千元价位手机也已开始普及30W+充电功率，2000元价位手机则开始普及65W+，而顶配旗舰则有不少已经用上了100W+的极速闪充（表2）。

私有快充协议是体现手机品牌研发实力，打破同质化提升竞争底蕴的核心卖点之一（图15）。但对于消费者而言，私有协议之间互不兼容，跨品牌使用时的体验就非常差劲儿了，还会衍生出资源浪费和环境污染等更严重的问题。

UFCS快充规范出炉

为了解决手机充电技术的“内卷”问题，电信终端产业协会在前不久发布了融合快充标准《移动终端融合快速充电技术规范》，并由绿色能源工作组（WG10）、信通院、华为、OPPO、vivo、小米、荣耀、矽力杰、瑞芯微、立辉科技、昂宝电子、电酷网络等多家终端、芯片企业和产业界伙伴联合制定了UFCS（Universal Fast ChargingSpecification）快充规范（图16）。

简单来说，UFCS快充规范采用连续调节模式，输出电压分为5V、10V、20V、30V四个可编程的档位（类似USBPD3.0 PPS调压）。同时，UFCS快充标准还规定由供电设备和充电设备共同完成线缆电子标签信息的获取，并强制充电设备增加线缆阻抗检测功能（图17）。当电流>6.5A时，需要增加UFC S线缆电子标签;当4A<通路电流≤6.5A 时，建议增加UFCS线缆电子标签，也可支持其他线缆识别方案;当线缆通流≤4A时，不需要识别线缆，采用根据线缆阻抗来匹配线缆通流能力（图18）。

理性看待通用快充方案

就目前来看，UFCS快充规范有利于缓解各种私有充电协议间互不兼容的局面，但指望它在短期内一统“手机充电江湖”却并不现实。毕竟私有协议是手机厂商花大价钱研发的，也是可以提高辨识度和影响力的核心技术。

UFCS快充规范最大的意义，是让私有协议之间“求同存异”，只要充电器、手机和数据线之间握手成功，就能以超过30W+级别的功率相互充电。但要想达到私有协议的充电功率上限（如100W+），短期内还是需要用自家的充电器配自家的手机。以小米演示的“魔改”小米11 Pro所支持的200W有线快充为例，这款产品的接口并非标准的USB Type-C（图19），而且通过双电芯+20V/10A方案实现了200W快充能力，而10A的充电线缆显然已经超过了USB PD 5A线缆的供电上限。

無论如何，USB PD3.1的商业化，还是给予了UFCS快充规范更多的可能，从15W～240W都在这个USB PD3.1的覆盖范围内，整个产业链的协同合作也较之手机厂商单打独斗更有效率。作为消费者，我们自然希望未来手机厂商的私有快充协议都能兼容65W甚至100W的USB PD充电，如此一来随便买一个高功率的USB PD充电器，就能同时满足轻薄本和智能手机全速充电的需求了。