我们身边的移动设备越来越多，大家或多或少地都会碰到过关键时刻设备没电的问题，比如，早上起来赶飞机，发现手机忘记充电，用平板给客户演示的时候突然关机，接打重要电话突然中断，这时候快速充电的愿望会变得格外强烈。在科技人员的努力下，快速充电的需求正在变成现实，我们身边能够快速充电的设备越来越多，充电速度的记录不断被刷新。但同时，各种快速充电的技术也让人眼花缭乱，而且这些技术之间有些还互不兼容，这也为消费者和制造商带来了困扰。
五花八门的快充协议
1、USB PD快充协议
“USB Power Delivery”功率传输协议，缩写为USB PD，由USB官方推广小组USB-IF发布，是目前最为通用的快充协议。
在USB PD之前，曾经有一个USB BC 1.2规范，用于定制超过4.5W的功率传递，其原理是使用USB接口 4跟线中的2根数据传输线，Data+与Data-,改变这两根线参考电压值，来进行不同功率传输的判别，很多手机厂商都由此定制了自己的快充标准，比如高通最初的快充协议QC就是这么来的。而且厂商们还做到了互不兼容，如同样是5V充电器，早期的三星充电器就不能为苹果设备充电。直到Type-C接口的出现，USB-IF规定统一采用CC端口进行充电协议的识别。
USB PD可以为诸多设备输送电力 图片来源：usb.org网站
USB3.0及Type-C界面规范相继问世后，2012 年7月，USB-IF 推出了 USB PD 1.0 规范，中间经过数次修改，到 2015 年初，USB PD 规范已升级到 2.0 版，最大传输功率已经达到了100瓦。同年年底，USB PD 3.0规范出台，此后两年时间，USB-IF一直在期待USB PD市场的成熟，但是实际上手机厂商们并不太感兴趣，而是各自发布自己的快充协议。如高通的QC，联发科的PE，OPPO的VOOC、华为的SuperCharge等等。
USB PD 一开始就瞄准了100W供电的目标 图片来源：usb.org网站
为改变USB PD推广的不利局面，2017年2月，USB-IF发布了USB PD 3.0的重要更新，不仅扩展了输入电压类型(提供了5V/9V/15V/20V)，还首次将PPS(Programmable Power Supply)可程序设计电源纳入其中，这使得USB PD 3.0的输入功率变得更为灵活，特别是在输入电压方面，可以支持以200 mV为单位的精细调节。为保证安全，PPS协议规定，不得晚于10秒，负载和适配器之间要保持一次通信，避免充电过程失控。
一向特例独行的苹果，在快充问题上没有另辟蹊径，直接采用USB PD作为快充协议。苹果直到2017年的iphone 8系列之后才出手，苹果的笔电MacBook Pro 16 充电功率达96W，同样支持了PD快充。出手最晚，但做得彻底，这与Google还在辛苦“劝说”，Android设备要支持USB PD 快充协议形成反差。
借助PPS ，USB PD可将现有的诸多私有协议收入囊中。 图片来源：usb.org网站
2021年，5月26日，USB-IF下属的推广小组（USB Promoter Group）发布了USB PD 3.1规范，将USB PD的传输功率提升到了240W。除了此前的5V、9V、12V、20V这四种固定电压，规范新增了100W以上功率情境的三种固定电压，28V、36V和48V，最大电流仍然保持在5A，并向下兼容USB PD 3.0、2.0还有1.0规范。
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USB规格 |
最大承载功率 |
电压范围 |
最大电流 |
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USB 2.0 |
2.5 W |
5 V |
500 mA |
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USB 3.1 |
4.5 W |
5 V |
900 mA |
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USB BC 1.2 |
7.5 W |
5 V |
1.5 A |
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USB Type-C 1.2 |
15 W |
5 V |
3 A |
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USB PD 3.0 |
100 W |
5/9/15/20 V |
5 A |
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USB PD 3.1
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240 W
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5/9/15/20 V( <= 100W功率情境) 28/36/48 V ( > 100W功率情境) |
5A
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表:USB功率传输演进 数据源:笔者整理
一起升级的还有PPS可程序设计电源部分，新的可调电压模式，电压范围从15V到三个最大电压之一（28V、36V或48V），要求特定电压达到100 mV分辨率。
240W的传输功率说明，这一次USB PD想要的不仅仅是移动设备的市场。
2、高通Quick Charge，以下简称QC快充协议
凭借在手机处理器市场的强大地位。高通QC快充协议一直处于稳步发展，也是受第三方充电设备广泛支持的快充协议之一。早在2013年，高通就推出了QC1.0规格，传输接口为Micro USB，那时候只是做到了5V/2A，最大传输功率为10W，略高于USB BC 1.2版本的7.5W。在随后的QC 2.0和QC3.0版本中，高通将最大功率提升至了36W，提供了5V/9V和12V的固定电压选择，最大电流为3A，接口形式也增加了Type-C。
真正的改变是QC4.0版本，不仅将最大传输功率提升至100瓦，电压范围从3.6V扩展至20V，并且通过了USB PD的认证，这使得QC4.0版本开始的充电设备，不仅可以为Android世界供电，还可以为苹果设备充电。
2020年7月，高通发布了QC5充电规格。
QC5的充电速度10倍于QC 1版本 图片来源：高通网站
相比QC4宣传的15分钟充电50%，这次的QC5的充电速度更加惊人，从0到50%只需5分钟，从0到100%也仅需15分钟。15分钟充满，这可能满足了绝大多数场景的快速充电需求。
高通最新的QC 5快速充电技术 图片来源：高通网站
能够实现快速充电的一个重要原因是，这一次QC5支持了双路电池，这样在双路电池并行充电的情境下，即便未作任何改动，充电速度本身就提升了一倍。此外，QC5采用更高效率的电荷泵（Charge Pump）SMB1396和新一代PMIC（电源管理IC），将电源转换效率提升到97%，在提升充电速度的同时，使得充电系统发热大幅度降低，官方宣传数据说相比前代可以降低10摄氏度之多。
3、MTK Pump Express快充协议，简称PE
另一大手机处理器供货商联发科，也有推出了自有的快充协议。
表:MTK Pump Express快充协议 数据源: 联发科网站
出于安全性的考虑，在传输功率方面，MTK的PE规范一直在60W附近。PE协议透过手机中的PMIC芯片，实时调节实际充电电压，并未追求极限充电速度，20分钟充满70%是3.0版本的宣传目标。同时MTK还强调真个电源系统的效率以及线缆的安全性。最新发布的PE 4.0 规范最大充电电流提升到了5A，保持了与USB PD规范的部分同步，充电速度变化不大，官方宣称充满75%需要30分钟，Helio P60 SoC是PE 4.0搭载的主要平台。
联发科 Pump Express Wireless应用场景 图片来源：联发科网站
值得一提的是，MTK还有一个Pump Express Wireless技术规范，能够提供Qi 标准的低功率（5W）和中功率（高达15W）无线充电。
4、三星：最后还是选择了USB PD
三星长期保持着全球手机出货量第一的优势，很早就研发了自己的快充协议AFC（Adaptive Fast Charge），鉴于其Android手机霸主的地位，自然也与高通有着密切的联系，因此在其Galaxy Note4系列上就开始兼容了高通QC2快充协议。
但是Galaxy Note7系列手机（这个型号的手机至今仍在各大航空公司的黑名单上）的电池爆炸事件，让三星对快充问题变得极其保守。很快，在Galaxy 9系列手机中，三星取消了对QC快充协议的支持，自家的AFC协议，一直徘徊在9V输入电压，15W传输功率这个等级。到2019年的5G机型Galaxy S10发布时，新产品连自家的AFC协议也干脆不支持了，直接宣布使用USB PD PPS规格快充。
图:三星最新的充电器 EP-TA220NBCGCN 图片来源：三星电子网站
时至今日，三星很多新款手机的充电功率被限制在25W，官网提供的最新充电器，也只有采用USB PD PPS规范的35W充电器，这大概就是“十年怕井绳”吧。
5、华为：FCP & SCP
华为先后发布了两个快充协议，分别是FCP（Fast Charger Protocol）和SCP （Super Charge Protocol），从名字上就能看出先后顺序。2015年华为Mate8手机就开始搭载FCP快充协议，规格为9V/2A，传输功率为18W，与QC2规范一致，二者并不相容。2016年，华为发布了Mate 9新机，将快充协议升级到了SCP。传输功率达到了22.5W，4.5V/5A，这种低压方案的好处是在手机的电源管理部分节约了DC/DC的成本，缺点是消费者需要另配一根价值不菲的充电线，因为线缆要承受超过3A的电流，需要更高的制造成本。
到2018年Mate20 Pro型号的机型，SCP已经提升到10V/4A，40W传输功率。2020年，Mate 40 Pro发布，华为再次提升了SCP的规格，将输出功率提升至66W，依然采用了非标准的输出电压11V/6A。
华为66w SuperCharge多协议超级快充移动电源 图片来源：huawei.com
考虑到市场因素，华为的充电器产品也并非完全采用独家的快充协议，QC和USB PD也在支持范围。
6、OPPO：Super VOOC
“充电五分钟，开黑两小时”，这是OPPO快充最成功的广告。与很多手机厂商一样，OPPO很早就不满足传统的USB接口充电速度， 在2014年推出了VOOC 1.0版本，一开始就直接将传输功率提升至5V/4.5A 22.5W。到VOOC 4.0版本，OPPO将电流提升到了6A，超过了USB PD的5A限制，消费者需要使用专用线材。
到2018年，OPPO发布了Super VOOC 1.0超级闪充，提供了10V/5A，50W传输功率，并将GaN材料引入充电器材。2019年，Super VOOC 2.0，提升至10V/6.5A，传输功率达到65W。到2020年，OPPO提出了125W超级闪充技术和65W 无线充电技术。
OPPO的125W超级闪充和65W无线充电 图片来源：OPPO网站
根据OPPO官方新闻，125W 超级闪充在手机温度 ≤40℃ 的前提下，实现了 20 分钟充满等效 4000mAh 电池能量的手机，采用并联三电荷泵，多极耳双 6C 电芯，配合十颗新增温度传感器的严苛温控，保障高速充电安全不烫手。
在输入端，125W 超级闪充采用转换效率高 98% 的并联三电荷泵方案，适配器输出的 20V 6.25A 经过三电荷泵降压转换成 10V 12.5A 进入电池，每个电荷泵只需转换 20V 2.1A 大约 42W 左右的功率，有效地避免了大电流造成的电荷泵超载、过热。在电池端采用了6C 电芯，极耳中置 （MMT） 升级为多极耳 （MTW） 技术，将电荷的运动路径成倍的缩短，电芯阻抗进一步降低，允许输入高达 12.5A 的大电流。
目前，已经有超过30款机型搭载了Super VOOC技术，其中大部分是采用了Super VOOC 2.0版的65W快充。
7、VIVO：Super Flash Charge
VIVO和OPPO两家公司千丝万缕的联系也体现在快充技术上，他们的快充协议差别很小。
早期的Flash Charge充电协议也是22.5W，5V/4.5A，到2.0版达到33W。2020年发布了Super Flash Charge协议，将规格提升至11V/4A，功率提升到44W，这与OPPO同期的50W快充基本一致。
2020年，在新机型 iQOO 5 Pro 上展示了120W 闪充技术。 图片来源：VIVO网站
8、小米：Super Charge Turbo
小米的快充协议基本上是在USB PD PPS基础上进行修改，推出了自己的Super Charge Turbo技术，目前已经拥有120W、67W、55W、33W等快充功率檔位。在100W快充这个级别上，也附带了无线充电的版本，根据小米公司提供的资料，他们最新的Super Charge Turbo技术可以在17分钟内将4000mAh的电池充满。
小米120W充电器 型号MDY-12-ED 图片来源：mi.com
小米最新发布的的120W充电器，提供5V/3A，9V/3A，11V/6A以及20V/6A，四种传输规格，与USB PD官方公布的规格不太一样，但除了11V/6A这个规格，其他几项均与USB PD兼容，只是同等级功率的手机目前还没有任何消息。
E-Marker标识给充电线加“智”
E-mark，全称为：Electronically Marked Cable: 封装有 E-Marker 芯片的 USB Type-C 有源电缆，USB PD 协议透过DFP 和 UFP可以读取该电缆的属性：电源传输能力，数据传输能力，ID 等信息，所有全功能的 Type-C 电缆都应该封装有 E-Marker，USB-IF规定，所有承载 3A 以上电流的Type-C线缆要求必须带有 E-mark 芯片。
带有E-Marker芯片的Type-C线缆，图片来源：gosh.co.th
在充电功率60W一下的使用情境下，基本上不需要使用到带有E-marker标识的线缆，但是现在随着高功率快充技术开始普及，E-Marker芯片的线缆就会成为很多消费者的必需品了。E-marker芯片本身并非功率传输器件，他主要的功能是记录控制线缆的传输能力，以便在进行快充或者高速数据传输时与充电和数据传输设备配合，最大程度发挥线缆的效率。
来自的E-Marker芯片 图片来源：Richtek网站
立锜(Richtek)科技的RT1731A 是支持 USB-C 型接口和 PD 应用的电缆标签 IC，具备 USB4 电缆的支持能力，可通过 SOP' 通讯进行 USB PD 应用需要的结构化 VDM 身份识别，DFP 主机可通过它了解电缆特性如电流承载能力、性能、供货商等信息。其 VCONN、CCIN具备 VBUS 短路保护能力，可防范高达 20V 以上的应用中出现短路时可能带来的伤害。
Cypress的EZ-PD端口控制器CCG2 图片来源：cypress.com
也有厂商将更多功能集中在E-Marker芯片上，比如Cypress的EZ-PD™CCG2埠控制器，这个芯片不仅向电源报告线缆特性（如额定电流、线缆长度）等等， 为被动电子标记电缆组件（EMCA） 电缆、主动 EMCA 电缆、USB 型 C 笔记本电脑、电源适配器、监视器、码头和电缆适配器 （加密狗）提供了解决方案，同时EZ-PD™CCG2通过集成 C 型收发器、终止电阻和系统级 ESD 来降低 BOM。
具有智慧的Type-C线缆，安全和效率将是这类线缆的最大卖点，也是大功率快充的必需品。
改了快充的电荷泵技术
首先需要明确的事情是，不管快充协议规定了多少种电压，5V到最新的48V，最终加载到电池的电压一定是4.2V（这里特指移动设备中的锂电池）附近，这是锂电池的特性决定的。之所以有那么多种电压规格，主要还是为了传递更大的功率。直流电传输功率等电压与电流的乘积，为了降低传输电流，就只好提升电压，优点是充电线就不必要求特别苛刻了，这点可以参见前文的E-marker芯片的强制规定。但是高压不能直接输送到电池两端，因此需要经过降压处理。
传统的DC/DC转换器会出现严重的发热情况（转换效率小于90%），电荷泵的出现解决了这个问题。
电荷泵是一种无电感式DC-DC转换器，利用电容作为储能组件来进行电压电流的变换。因不需要两次磁电转换，电荷泵的能量效率非常，转换效率高达97%，可以很好地解决高压转换时的发热问题。
目前已知在手机端使用的电荷泵产品，有TI的BQ2597x系列，NXP的PCA9468，高通自家的SMB139x系列，Dialog的DA9313，还有NXP、Cypress、Diodes等公司，这些公司都拿到了高通QC4+的授权，台湾厂商芯籁、通嘉、昂宝等公司也在其中。
高通SMB1396电荷泵 图片来源：qualcomm.com
在高通公布的QC5展示中，我们看到了两颗SMB1396电荷泵，分别为两颗电池输送电力。而OPPO在125W的超级闪充技术中，在手机端使用了并联三电荷泵的方式，进一步提升电流并降低发热。
有了电荷泵以及多电芯的技术方向，手机的充电速度才能进一步加快，两颗电池不够快，可不可以拆成3颗，4颗？要只要电池能够承受足够大的电流，并且控制好发热的状况，在移动设备上，超过60W的充电功率输送就会快速普及开。
小结：快充正在向USB PD方向集中
古早充电器设备 图片来源：安森美半导体网站
不知大家是否记得十几年前，智慧手机刚刚面世时的情况，几乎每一种设备就会有一个专用的充电器和充电线。这导致相关产品电子垃圾的数量激增，很多国家和政府无法忍受这一情况。陆续出台各种法规，强制要求统一线缆和充电器设备，情况才逐渐改观。在各种法令以及智慧手机市场的引导下，大部分充电线都变成了Micro USB或者Mini USB接口，而充电器也统一变成了5V输出电压，输出电流在1A左右。
但是这几年快速充电技术的发展，让情况又有了变化，由于很多制造商采用了私有的快速充电协议，大家的充电电压、电流都不相同，因此人们家中充电器数量又开始增加。第三方电源适配器的制造商业也会感到困惑，虽然有协议芯片可以识别大部分的快充协议，但也会增加设计复杂度和产品成本，何况还会有新的快充技术需要跟进。使用者万一买到的电源与自己的设备不匹配，还影响消费体验。
所幸的是USB-IF为USB PD及时打上了补丁增加了PPS（可程序设计电源），并联合Google进行强推，要求配有Type-C接口，Android 7.0版本以上手机必须支持USB PD快充。
在可程序设计电源的模式下，USB PD理论上可以在规定范围内调节出任何所需的电压，不管是10V还是11V，都可以实现输出，这样就会有很多私有快充协议被“收编”。像苹果和三星这样的大厂，主动选择加入了USB PD阵营，一些私有快充协议的公司加入了对USB PD的支持，但在高端应用了保留了自己的规格，为客户带去更好的使用者体验，者也算是一种双赢的策略。
得益于市面上主流的智慧设备对USB PD 协议的兼容，iPhone、MacBook、x86笔电等等，还有市面上大部分采用 Type-C 接口的 Android 设备乃至一些游戏设备陆续都能用USB PD协议进行快充，这应该是一个美好未来的开端。
