一般的認知, 都是USB 要支援500mA 的電流. 但是實際上, ,這種電流可能連外接硬碟都推不動。於是大家可能都 "偷偷" 可以供到 1A。從 BC 1.1 開始,規範中就直接讓 USB 可以輸出 1.5 A 了。

在充電類型方面,一共有三種定義:標準下行埠(Standard Downstream Port,SDP)、充電下行埠(Charging Downstream Port,CDP)及專用充電埠(Dedicated Charging Port,DCP)。

所謂的 SDP 就是標準的 USB HUB 輸出,像是電腦或是螢幕基座上的 USB 輸出大抵都支援 SDP. 它的充電電流是 500 mA,所以不致於充得太快! 甚至在被充電裝置完全沒電時,可以先用 100m A 的小電流輸出,等到充至 0.5~0.7 V 時才改回 500 mA。

這有什麼好處呢?如果沒有人在管電流限額,而沒電的手機電壓已經趨近於 0 了,當輸入阻抗很小,那麼電流將會很大,使得溫度過高,說不定會燒壞什麼電路. 阻抗給很大,那麼電流就會太小,導致充得很慢. 因此,聰明的控制電流是有必要的。

至於 CDP 可以提供 500mA 和 1.5A 兩種電流,算是有 "兩下子" 的 USB 接口. 一般會先用 500mA,若是符合 1.5A 的快充,就會切換過去 [3,4]。

最後的 DCP 只能充電,不能傳 data。

上面提到的都是 USB 2.0,而一般 USB 3.0 都是用 USB 2.0 的規範充電。

USB 可持裝置 (portable device,簡稱 PD) 要怎麼知道連上的是哪一種 USB Port,並從而決定要抽多少電呢?判斷方式可以參考 ref 3 或 4. 簡單地說:

PD 先把 D+ 設為 0.6V:

1. D- 還在低電位,表示 USB HOST 沒反應,那麼這 HOST 是 SDP。

2. 若 D- 變成 0.6V,HOST 可能是 DCP 或 CDP。

PD 再把 D+ 或 D- (只有慢速設備會拉 D-) 拉高到高電位,然後去看另外一根 D- 或 D+:

1. D- (D+) 還在低電位,表示這是 CDP。

2. D- (D+) 也變成高電位,表示 D+ 和 D- 短路,一定是 DCP。

因此 PD 有辦法知道它所連接的 port 是哪一種,再進一步決定抽 0.5A 還是 1.5A。

最後,一個裝置可能有時支援 CDP,DCP,或 SDP ,這叫做 multi-role port. 若是不只是能支援充電,還可以當 OTG 用,這個叫做 ACA (Accessary Charge Adapter)。

PD 只要有一個 micro-ACA,它的 3 個 port 就同時扮演 device 當別人的 USB Storage (OTG Port),當 host 外接鍵盤滑鼠 (Accessary Port) ,又被充電 (Charger Port). 一孔多用是未來的趨勢,因此 ACA 早在 BC 1.1 的時候就被列入規範了。

 

Reference: http://www.cash.idv .tw/wordpress/?p=8334

 

USB 快速充電知多少?使用跳線達成 AC 模式充電

過去幾個月以來,USB 裝置充電議題再度熱門了起來,顯示不少人仍然有些疑問。容易讓人混淆的關鍵,常見出現在裝置是以 USB 或 AC 模式進行充電,尤其是搭配其他品牌配件使用時的比例最高。USB 裝置和電源裝置之間,搭配使用暗藏了哪些玄機,你知道多少呢?

AC與USB充電速度不同

行動手持裝置對於電源的需求持續成長,電池容量一再加大相對需要更長的充電時間,所以廠商很早之前就設計出2種充電模式來因應,一般俗稱為USB和AC模式。這兩者差異是充電速度的不同,USB屬於標準充電模式,手機等裝置會將輸入電流限制在500mA以內。AC模式從字義上不難看出,就是使用變壓器的快速充電模式,輸入電流可達500mA以上,理論充電速度較USB模式快。

當然了,這只是就通俗設計而言,每款USB裝置充電時汲取的電流量不盡相同,實際輸入電流量視廠商設計而定。目前行動裝置仍以USB 2.0規格為主,廠商普遍將500mA定為充電模式分水嶺。而且手機內部都會設計限流電路,像是最高輸入電流設計為900mA的手機,連接1500mA輸出電流的USB充電器,除了不會燒毀,長期使用下來也不會造成手機內傷。

Apple與泛USB派系之分

這些訊息多數人都知道,但是使用第三方品牌充電裝置時,仍然可能掉進規格陷阱裡,落得無法以AC模式快速充電的下場。就手機、平板,甚至是車用GPS、車用行車記錄器等裝置來說,基本上可以簡單畫分為Apple與USB派系來看。

Apple的設計方式,是在裝置與線材端的特定訊號腳位,加入分壓電阻器用以識別裝置類型。當連接到電源周邊裝置時,iPhoneiPad、iPod擷取到指定的電壓資訊,就能啟用AC充電模式。

反觀Android陣營手機與平板,以及其它眾多高耗電量USB裝置,大多是就USB所規範定義的D+、D-腳位導通狀態,來做為充電模式判斷依據。無論是從線材或充電器等裝置端動手腳,只要將這2支腳位短路,手機等裝置就會判定為得以AC模式進行快速充電。

 

 

▲上網拍買USB跳線,Android等裝置搭配任一充電器,也能進入AC充電模式。

換條線輕鬆達成AC模式

對於這幼幼班等級的概念,我們無需談論到設計結構差異等面向,簡單就大家經常會遇到的問題來說。市場上賣的電源相關周邊很多,但是大多只標示Apple裝置相容性,想找到Apple適用的充電周邊相當容易,大多也能順利進入AC快速充電模式。

不過些充電器、電源包等產品,用在Android、其他品牌USB裝置上未必行得通,關鍵點是USB的D+、D-這2支腳位處於導通狀態。因此當你花大錢買到這類電源周邊產品,其實不需要急著脫手,也不用像網站教學那樣動手改造線材。只要到網拍上花幾十元,買條「USB跳線」就能搞定了,電源裝置跨品牌混搭一點也不棘手。

 

 

 

▲Android手機、平板,利用App查看充電模式,可以看到USB與AC模式之分,使用跳線搭配Apple充電器,也能以AC模式快速充電。

Reference: http://www.techbang.com/posts/ 12760-usb-quick-charge-know

 

滿足可攜式裝置電源需求 USB電池充電規範角色關鍵

新通訊 2011 年 1 月號 119 期《 技術前瞻 》
文.Pete Dimuzio
現在的可攜式消費電子產品(圖1)均開始改採容量較大的電池,以因應處理較大螢幕及多樣化無線功能如無線區域網路(Wi-Fi)、3G和長程演進計畫(LTE)等特性所增加的功率需求。此外,快速充電對使用者來說,也一直是很重要的目標。目前採用通用序列匯流排(USB)介面進行充電已非常普遍。因此,若要進一步提升USB介面的充電效益,以實現更快速地充電,必須有一套能增加個人電腦(PC)或集線器(Hub)上USB埠可用電流的解決方案。
圖1 可攜式裝置不斷累加各種功能,導致充電需求更加殷切。
為因應市場對USB快速充電的需求,USB應用者論壇(USB-IF)已制定一套新的規範。本文中將討論這項以USB介面為基礎的萬用充電解決方案,以及建置此方案背後的推動因素。

USB電池充電新規範出爐

USB-IF是一個非營利組織,透過由包括史恩希(SMSC)在內等重要半導體廠商的協助,致力於提倡和支援各種USB產品的開發。該組織已經制定一套USB充電規範,最新版本稱為USB-IF電池充電規範1.1(BC 1.1),同時近期內亦將發布BC 1.2,以作為充電器標準化的基礎。此標準化作業能促成業者共同實現USB充電器檢測生態系統,以為消費者提供更便利的USB充電體驗。隨著此規範的就緒,每種類型充電器的可用電流限額(Available Current Allowance)已定義完備,並能依此來進行設計。舉例來說,在BC 1.1制定之前,任何一個USB埠所能提供的最大可用電流被限制為僅有500毫安培(mA)。現在,BC 1.1定義的USB埠最高可提供1,500毫安培,這是先前USB埠定義的三倍,因此,對終端使用來說,就能以USB纜線實現更快速的充電體驗。

一直以來,USB埠充電只有一種標準定義。展望未來,以BC 1.1定義為基礎,將來共會有三種定義好的USB埠配置以供產品使用,分別是標準下行埠(Standard Downstream Port, SDP)、充電下行埠(Charging Downstream Port, CDP)及專用充電埠(Dedicated Charging Port, DCP)(圖2)。每種埠都能支援不同的充電電流和複雜的USB充電器檢測協定。以下,將探討每種USB充電埠間的差異,以進一步了解它們的功能和使用情況。

 

圖2 以BC 1.1定義為基礎,將有三種定義好的USB埠配置。
圖3 定義主機和裝置

首先,釐清主機(Host)和裝置(Device)的定義(圖3)。主機USB埠是定義為USB纜線的上行端(Upstream)或「A」接頭,即PC端。而裝置USB埠是定義為USB纜線的下行端(Downstream)或「B」接頭,即行動產品端。

SDP在形式上亦即為傳統/既有的USB埠,通常是PC或USB集線器上的USB主機埠。一旦當主機和裝置間建立USB枚舉(Enumerated)狀態,SDP就僅能提供最高為500毫安培的電流。目前,BC 1.1規範可針對沒電或電池量低而無法進入枚舉列狀態的裝置,提供更快的喚醒狀態支援。在USB規範中,這項條款被稱為「電池沒電條款」,它能讓主機埠提供100毫安培的電源給裝置,直到此裝置的電池充到足以啟動系統單晶片(SoC)的電力,並讓USB收發器進入USB枚舉狀態,再開始以500毫安培的電流充電。在現今的即時行動環境中,快速充電對使用者來說已日益重要。因此,要能從USB主機埠取得更多電流勢在必行,這也促使了CDP定義的出現。

與SDP相同,CDP也是來自PC或USB集線埠。CDP擁有SDP的全部功能,但還能進一步支援最高到1,500毫安培的電流範圍。根據BC 1.1規範所定義D+和D-的USB接腳交握(Handshake),CDP可據此提供額外的充電電流。在低電壓交握完成之後,可攜式裝置便能從主機埠獲得完整的1,500毫安培電流。最後一個重要的USB埠配置稱為DCP。

圖4 壁式交流電源轉接器

DCP通常是壁式交流電電源轉接器(Wall AC Adaptor)(圖4),這只是一個可透過USB接頭輸出電源的下行埠,但不具備枚舉功能。未來,DCP的可用電流將會增加到1,500毫安培。DCP需要將D+和D-線路短接一個電阻(RDCH_DAT),這個在BC規範中已有定義。

表1說明USB-IF電池充電1.1規範所定義的不同USB充電埠及可用電流的優點,以增強使用者的USB充電體驗。

 

因此,若沒有建置BC 1.1生態系統,使用者只能從PC或集線器USB埠獲得最高500毫安培的電流。現在各類USB充電埠間的差異都已經清楚定義,接著討論推動USB介面充電需求的背後重要因素。

可攜式裝置充電需求日殷

目前市場上有多種不同類型的可攜式裝置,都須要透過USB連接來充電。所有這些裝置的電池大小及電源消耗速率都各有不同,需要有各自的充電電流規格與充電時間需求。例如,一台配備1,540mAh鋰離子電池的智慧型手機,其正常使用時的功耗速度約為每小時190毫安培,也就是大概有8小時的電池使用時間。根據這樣的功耗與電池容量,在使用1天後勢必須要快速進行充電。同樣地,若有一台內建6,600mAh容量電池的平板電腦,一次充電大概只能支持約10~12小時的正常使用時間。因此,必須清楚知道對這些容量較大的電池進行充電須花費多久的時間。

資料來源:史恩希整理
圖5 USB-IF定義的充電速率

充電時間與許多因素有關,包括電池化學類型、效率損失、充電曲線、放電狀態、溫度,以及先前所討論的,不同的充電埠類型也會有不同的可用充電電流。在BC 1.1定義的USB充電埠中,其可用電流會是傳統/既有USB埠的三倍,因此能縮短可攜式裝置的電池充電時間(圖5)。

因此,當比較這些可用充電電流時,就會了解要在USB產品應用中採用USB-IF電池充電解決方案的動機是非常顯而易見的。為了要協助建置與推廣USB電池充電標準和計畫,現已有一些組織與規範開始著手進行。

萬用電池充電計畫眾所期待

為了要讓USB電池充電成為業界標準,歐洲的全球行動通訊系統協會(GSMA)已制定萬用充電解決方案(UCS)計畫,其中說明如何藉此減少因為行動裝置充電器缺乏標準所造成的廢棄物,以及為USB接頭定義一套標準充電解決方案。此外,中國大陸的信息產業部(MII)也在2006年12月發行的「行動電信終端設備的充電器和介面技術需求與測試方法」(YD/T 1591-2006)出版品中,公布原始的USB充電器介面標準。這兩份文件都同樣聚焦於USB充電埠標準化與廢棄物減量的議題。為了進一步說明,以下將討論GSMA最近公布的計畫以及對BC 1.1規範的重視。

透過結合行動產品業者的力量,GSMA代表著全球行動通訊產業的共同利益。在2010年3月,GSMA發布一篇標題為「萬用充電解決方案白皮書--消費者意識計畫1.0」的白皮書,指出消費者意識的抬頭可協助推動UCS的開展,以便能以更環保的方式為行動裝置充電。

UCS知道,傳統上消費者每次購買新的行動裝置時,都預期會獲得新的充電器,但仍對未來規畫出一個新的願景,亦即希望透過USB連接實現萬用充電器設計,讓新舊行動裝置間的充電器能夠重複使用。對消費者來說,它的效益不僅在於毋須再帶多個充電器出門,還能重複利用其既有的充電器為未來新買的行動裝置充電。

如此一來,若以每年行動電話出貨量中有五成為換機的比例來計算,可為環境減少重複使用數億個充電器。假設平均每個充電器的重量為0.4磅(0.18公斤),所有未使用充電器所造成的廢棄物重量就遠超過10萬噸。最重要的是,製造、包裝及運輸等充電器的成本也能因而顯著減少。

UCS還進一步在白皮書中發布共用電源供應(CPS)定義。圖6為以USB連接為基礎的充電解決方案。UCS計畫參照USB-IF電池充電規格1.1,作為全球USB充電器檢測協定與標準的一部分。此外,UCS也參考USB-IF規範中所有的其他重點,包括纜線、接頭及相容性定義。藉由引用與確認USB-IF規範,GSMA已為整套萬用電池充電解決方案建立穩固的基礎。除了引用USB充電標準外,GSMA UCS計畫中的主要工作是要讓大眾了解萬用充電器所帶來的環保效益。

 

圖6 以USB連接為基礎的充電解決方案

USB電池充電的未來可期

現今,可攜式消費電子市場仍持續演化,智慧型手機、平板裝置等多種產品不斷地推陳出新。這些產品都有一個共通點,就是需要更多的電源,以及希望能有以USB接頭為基礎的萬用充電解決方案。

GSMA、MII和USB-IF已為USB萬用充電解決方案奠定良好基礎,現在將是可攜式消費電子產品製造商運用此一方案的最佳時機。製造商將不必再為每台可攜式產品配備一個充電器,同時使用者也能享有利用一條USB纜線或單一個壁式轉接器就能為不同產品充電的便利性。

不管是USB主機端或USB裝置,史恩希都可提供支援USB電池充電規格的各種產品。史恩希的RapidCharge Anywhere生態系統建置,可讓傳統解決方案的USB埠,支援更廣泛的可用充電電流,並能讓消費電子產品支援USB-IF電池充電1.1規範。

史恩希發布的多款新產品,包括裝置端的USB333x/USB334x USB收發器系列產品,以及主機端的USB251xB集線器控制器系列產品,都能讓使用者擁有電池充電檢測功能,並能以標準USB連接得到更高的可用充電電流,以獲得快速充電的最佳體驗。

(本文作者為史恩希消費電子解決方案部門的產品行銷經理)

 

 關於USB的供電,下面這一篇文章應該也可以參考,換成另外一種思維與創新架構...

先前蘋果引入 ThunderBolt,高速率傳輸以及支援多設備同時接入是它的特點。但多年之後 ThunderBolt 並未普及,在這個思路上,蘋果為了讓 MacBook 變得更薄而直接放棄 ThunderBolt也是可以理解的。而現在採用的這個體積上更小,可以正反插的 USB Type-C 介面(以下簡稱 USB-C),也成了話題的焦點。Intel也為這介面下了一個註記:24 位Intel工程師找出了一個新的方法讓USB可以同時傳輸資料、投影、跟充電!這就是USB type C!接著Google 第二代 Chromebook Pixel 也採用 USB-C,未來 Google Android 手機中,也將陸續導入這款新的連接埠!

24 位Intel工程師找出了一個新的方法讓USB可以同時傳輸資料、投影、跟充電!這就是USB type C!  

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