快充规格 Quick Charge 2.0 与Quick Charge 3.0 原理与介绍

Dennis Lan，GRL台北实验室

因为USB接口的普及，市面有许多电子产品皆使用USB接口传输数据，对于USB供电能力的需求也越来越大。从USB 2.0供电能力只有2.5W (5V@0.5A) 的时代，到USB 3.0的4.5W (5V@0.9A)，支持BC 1.2的产品供电能力也只到7.5W (5V@1.5A)。然而，需求的提升带动进步，在维持BC 1.2架构的前提下，高通 Qualcomm 于2014年发表了Quick Charge 2.0技术（简称QC 2.0），QC 2.0的供电能力最高为60W (20V@3A)， 一下子就提升了将近八倍的瓦数；再随着Quick Charge 3.0（简称QC 3.0）的发表，加入Continuous mode的功能，步阶调整的特性使供电的电压多出许多选择。

快速充电端口 – HVDCP

HVDCP全名为High Voltage Dedicated Charging Port，是由高通所定义出来的一种快速充电设备，其中DCP (Dedicated Charging Port) 指的是没有USB数据传输功能的专用充电端口。

HVDCP具备与便携式设备（Portable device）沟通的能力，能够协议要用多大的电压来进行供电，供电能力又可以区分成Class A & Class B。 Class A具备5V、9V、 12V的供电能力；而Class B除了5V、9V、 12V外，还需支持20V电压。支持QC 3.0的HVDCP必须能向下兼容QC 2.0。

表1: Class A & B HVDCP分别支持的供电电压

HVDCP侦测原理：两端设备皆需支持Quick charge

HVDCP作为充电端，应搭配一个支持Quick charge的Portable device作为被充电端，并且当Portable device侦测到HVDCP后，才对其进行充电行为。Portable device侦测HVDCP前半段的过程与BC 1.2 规范所定义的相同。（了解BC 1.2：USB Battery Charging 1.2 测试介绍）。

• 第一步骤为V_BUS Detect：当Portable device接上HVDCP，并侦测到VBUS电压大于内部的有效电压阈值VOTG_SESS_VLD (0.8-4V)，即表示Portable device接上一个有效的电路。

• 第二步骤为Primary Detection：HVDCP会将其上方的D+ / D-经由R_{DCP_DAT} short在一起，Portable device会在D+上供一个电压V_{DP_SRC} (0.6V)，并比较D-上的电压 (V_DM) 是否大于V_{DAT_REF} (0.25-0.4V)，若V_DM大于V_{DAT_REF}表示该HVDCP有支持BC1.2。接着藉由侦测D+电压大于V_{DAT_REF}超过一段时间T_{GLITCH_BC_DONE} (1-1.5s) 来确认Portable device可以完成BC1.2的侦测程序。

• 第三步骤开始就与BC1.2无关了：HVDCP会断开D+ / D-，并打开R_{DM_DWN}以告知Portable device此HVDCP支援QC。最后D-电压维持低于V_{DAT_REF} Min (0.25V) 一段时间T_{GLITCH_DM_LOW} (1ms) 后，HVDCP即可以开始回复Portable device所提出的电压要求。

图1: HVDCP (High Voltage Dedicated Charging Port) 结构图

比较 QC 3.0 和 QC 2.0 – 充电速率有何差别？

其实支持QC2的HVDCP，与支持QC3的HVDCP拥有几乎完全相同的供电能力。QC2的HVDCP一样区分为Class A & Class B， Class A具备5V、9V、12V的供电能力；Class B则多支持20V。唯一的差异是QC2 HVDCP并不支持Continuous mode，因此无法像QC3的HVDCP具有步阶调整VBUS电压输出的能力。

由Portable device发起不同电压的要求

前面提到，在D-电压维持低于V_{DAT_REF} 一段时间后，HVDCP即可以开始回复Portable device所提出的不同电压模式要求。Portable device藉由切换不同的D+ / D-准位来向HVDCP提出充电要求，高准位为3.3V，低准位为0.6V，并以V_{SEL_REF} (约为2V) 区分3.3V (VUP) & 0.6V (VSRC)。在Portable device提出充电要求后，HVDCP会在一段时间T_{GLITCH_MODE_CHANGE} (20-60ms) 后开始调整V_BUS输出电压，并在T_{V_NEW_REQUEST} (200ms) 时间内完成V_BUS切换，到达Portable device所要求的V_BUS电压。

表2: 不同的HVDCP供电模式所对应的D+/D-电压

表2: 不同的HVDCP供电模式所对应的D+/D-电压

QC 3.0所支持的Continuous mode原理与功能

Portable device藉由将D+设至0.6V / D-设至3.3V来向HVDCP提出进入Continuous mode的要求，并经过一段时间T_{GLITCH_MODE_CHANGE} (20-60ms) 即进入Continuous mode。在Continuous mode中， Portable device可将D+由0.6V短暂升至3.3V，再降回0.6V，形成一个D+的Pulse（脉冲），使V_BUS电压上升0.2V。若要降低V_BUS电压，则将D-由3.3V短暂降至0.6V，再升回3.3V，形成一个D-的Pulse，如此可使V_BUS电压下降0.2V。Portable device一次可以发出多个D+或D-的Pulse，每一个Pulse皆有将V_BUS电压上升或下降0.2V的效力。不管有几个Pulse，从最后一个Pulse的rising edge (如果是D+升到3.3V) 或falling edge (如果是D-降到0.6V) 开始起算T_{V_CONT_CHANGE} (2ms) 内，HVDCP要将V_BUS升或降到最终应到达的电压值。T_{GLITCH_CONT_CHANGE} (100-200µs) 则定义Pulse上升 (rising edge) 或下降 (falling edge) 应完成的时间，只要符合时间即为一有效的Pulse，进一步使V_BUS电压升降。

图3: Portable device requests Continuous mode and makes

图4: 放大图3中D+ Pulse

用Power profile读取最大可输出电流

Power profile用以显示HVDCP在不同的电压下运作时，最大可输出的电流值为多少。下图显示支持QC3的Class A HVDCP，可能会有两种Power profile机制。Power profile中，小于6V的区域为Region A，大于6V的区域为Region B。可注意到在Continuous mode下，电压为3.6-6V时最大可输出3A的电流，就表示此HVDCP能供给的最大瓦数为18W (6V/3A)。因此当电压从6V上升到更大的电压，电流会随之下降，进而维持总瓦数不超过最大瓦数，不同的电流下降方式正是下面两张Power profile所表达的；图5中随着电压上升，电流以阶梯状的方式下降，瓦数不会达到最大瓦数；图6中，随着电压上升，电流以最大瓦数固定的模式平滑的下降。而当HVDCP运作在Region B时， 也必需要支持当电压切到Region A时，最大可输出的电流回到3A的能力。

图5: Class A HVDCP power profile for HVDCPs

图6: Class A HVDCP constant power profile

HVDCP对于Portable device的供电限制 (Adapter collapse behavior)

当Portable device所抽的电流超过Power profile所定义HVDCP在不同电压下可供给的最大电流，HVDCP必需具备将电压调降至临界点 (Threshold) 以下的能力（请参考表3），并维持 T_{GLITCH_UVLO} (20ms)，藉此让Portable device知道HVDCP在该电压可供给的最大电流值为多少，此行为就是Collapse。Collapse之后，HVDCP不可以再切换输出电压或是降低输出电流。

表3: VBUS collapse thresholds

结论

高通发布的Quick charge快充规格大幅提升了供电能力并且拥有完整的供电机制，除了从原先BC1.2的7.5W (5V 1.5A) 到QC 2.0与QC 3.0的60W (20V3A)，在BC1.2架构之上， Portable device得以侦测到HVDCP，并藉由调整D+/D-电压的方式来向HVDCP提出不同的电压需求（包含5V、9V、12、20V），在QC3下更可利用D+/D-的Pulse进行电压步阶调整。倘若Portable device向HVDCP抽取的电流超过HVDCP在该电压下可供给的最大电流，HVDCP也有完善的Collapse机制，让Portable device知道其供电能力。

GRL是Qualcomm授权的第三方QC认证测试实验室，除了完整的QC认证测试，我们有多位在USB接口与充电技术领域深耕的专家，亦能提供USB PD认证测试服务；若您有任何与充电技术规格相关问题，欢迎与我们联络。

参考文献

1. High-Voltage Dedicated Charging Port， Qualcomm ® Quick Charge™ 3.0 Interface Specification， August 1， 2017
2. High Voltage Dedicated Charging Port， QuickCharge 2.0 Interface Specification， March 27， 2014