没啥用知识(1)——快充协议如何工作

前几天跟朋友聊天谈到了网上有人使用非官方数据线和充电器给使用 USB Type-C 口的 iPad Pro 充电，结果导致 iPad 损坏的情况。联想到快充的方法无非是提高电压或提高电流，我们猜测与快充协议有关，于是去查了一下，找到一篇写得不错的文章，我们看完以后，感觉的确不应该随便混用不同品牌的充电头和充电线，如果错误使用可能会发生意想不到的事情。

鉴于我们并不是微电子行业的从业人员(计算机专业的学生而已)，这种知识可能也就是所谓“没啥用”知识了(以下省略“没啥用的知识又增加了.jpg”图)，不过感觉既然看到了，还是记录一下，或者干脆搞个“没啥用知识”系列，写点冷知识，感觉还不错？

说干就干，参考这篇文章，重新处理一下作为没啥用知识系列的第一篇。

快充协议是充电器与设备沟通握手所需的“语言”，只有正确“对话”后，才可以“握手”成功，进行快速充电。我们一步一步来看不同的快充协议是怎样工作的。

几年前快充协议十分简单，简单到类似交通信号灯，幼儿园小朋友都可以通过颜色判断信号含义。设备与充电器不需要很“聪明”就可以读懂双方的需求，不管是研发难度还是物料成本都简单便宜。而快充协议的红绿灯，则是采用D+D-电压进行信息传输。 旧式快充协议都是使用USB2.0通讯接口，常见于USB-A接口。

图片中是一个在移动电源上的USB-A输出母座，可以看到他与主板连接的只有四个引脚，其中两侧是用于传输电流的VCC、GND引脚，中间的是用于传输数据的D+、D-引脚。D+D-的“D”是数据Data的意思，充电端与接受电力的设备之间通过D+D-进行数据通讯，进而握手快充协议。

再来看看数据线，一般来说USB2.0数据线USB-A接口上只有4个触点，与USB-A母座定义相同，最外面两个是用来传输电流的，中间两个是用来传输数据的。VCC、GND较长，D+D-较短，那是故意设计，为了拔出时先断开数据连接，后断开电力供给。

APPLE 2.4A

在大家都是5V充电的年代，iPhone直接充电只有5W，需要充电器有特殊的识别电阻才可以获得更大充电功率。 图中PCB左边是两个USB-A输出口的焊盘，共用了一颗支持双路智能识别的协议芯片，iPhone插入后，协议芯片调整USB-A接口的D+D-电压为2.7V/2.7V，提供APPLE 2.4A的识别。而最右边的USB-A接口，则是简单地将D+D-直接连起来短接，提供DCP 5V1.5A的输出识别。 通过POWER-Z测试仪监测iPhone 8 Plus的充电，可以发现当前D+D-电压为2.66V/2.65V，接近APPLE2.4A识别协议的2.7V/2.7V，iPhone 8 Plus进入APPLE2.4A充电模式，功率达到12W。

QC2.0 进入QC2.0高压快充年代后，USB-A接口不再是简单的5V输出，而是可以升压至9V甚至12V电压获取大功率电力传输，这存在一定危险，什么情况才需要升压而不会烧坏设备？所以QC年代智能识别芯片做出了较大的进化，包含了多种不同快充协议，QC、FCP、AFC等等，同样是通过控制D+D-电压来进行轮询判断。例如QC2.0快充需要输出9V的话，D+D-电压就是3.3V/0.5V，需要输出12V的话，D+D-电压就调节为0.5v/0.5v，没有反馈就不进行升压，保持5V输出确保安全。

MTK PE 如果说QC2.0基于D+D-电压进行通讯的方式类似红绿灯的话，魅族手机采用的MTK PE快充则是类似打电报的摩尔密码，嘀——嘀嘀嘀——嘀嘀——嘀嘀嘀——嘀——嘀——这样进行通讯。PE快充不需要D+D-数据传输，甚至只有VCC GND的两芯数据线都可以成功使用并触发PE快充，并且PE的电流脉冲信号近乎于无损数字传输，不会像D+D-那样出现电压值误差无法触发快充的情况。

图中是POWER-Z USB测试仪抓取到魅族触发PE快充时的电流脉冲，可以看到电流的通断与间隔就像打电报一样进行信息传递，信息传递握手正确后，充电器输出电压从5V跳至7V再跳至9V。但PE快充太少众，市场占有率低没有话语权，配件选择面也少，甚至现在连魅族新机型都不再支持PE快充，这就是题外话了。

在进入USB PD快充时代后，充电器与数码产品的物理接口从USB-A口全面过渡到USB-C接口，USB-C接口拥有更多的Pin脚，支持更高的电力传输上限，并且完全不同于以往简单的D+D-识别，而是智慧式数据包双向沟通的手段进行更加复杂的通讯。如果说旧式快充协议是幼儿园学生看红绿灯过马路的话，USB PD快充协议就是两个成年人在进行微信聊天这种复杂程度。

我们来先看看接口的区别，USB-C物理接口满pin形态高达24个针脚，但用于充电不管多大功率，都只要USB2.0形态的12个针脚就足够了，满pin多出来的针脚是用于跑USB3.0/3.1/3.2/雷电等高速数据的，与充电无关，下面我们重点介绍一下USB2.0标准pin脚的USB-C接口。 可以看到USB-C用于电力传输的VBUS、GND一共有两对也就是4根针脚，除了支持正反面盲插外，多了一倍的针脚让他可以支撑更大功率的电力传输。在接口的中间可以看到D+D-这两个USB-A标准上的针脚，所以USB-C可以向下兼容数据通讯。而USB PD最关键的是CC针脚，CC线是USB PD快速充电标准用于信息交换的通道，没有CC针脚的话就无法进行PD快充。一些魔改USB-A口，虽然形态是A口，但中间新增了一根针脚CC线，所以可以在A口上跑USB PD协议。 USB-C通讯采用可编程语言进行双向通讯，需要用到高性能USB PD控制器，芯片体积、针脚数量、复杂程度都远超QC年代的协议芯片。下面我们通过POWER-Z USB测试仪抓取充电器与手机之间的通讯包，看看在充电过程中发生了什么事情。

PD2.0 USB PD快速充电标准现在已经发展到PD 3.0，数字越大的版本所支持的功能越多，我们先看看PD2.0。PD2.0快充支持固定电压档切换，可以根据充电器广播选择需要的固定电压。POWER-Z USB测试仪上可以看到，设备与充电器通讯后从5V3A跳转到了9V3A这个电压档进行充电。 我们再通过POWER-Z电脑端APP抓包看看，信息端口栏目分别是两个方向的传输，Source—>Sink、SourceSink是代表发射端向接收端发出的通讯，例如充电器对手机，Source