最高240瓦！USB供电标准再现台阶式飞跃，会带来哪些影响？

近日，通用串行总线（USB）标准组织USB-IF公开了USB-C（即USB Type-C）接口新规范USB Type-C 2.1，这是自2019年8月USB Type-C 2.0规范之后，USB标准组织对USB-C接口的机械电子特性做出的重大修订，之所以要对USB接口物理特性做修改，是因为USB-IF同期公布了USB供电协议（USB Power Develiry，简称USB PD）的新标准，USB PD 3.1将支持最高240瓦功率，而旧标准最高支持供电能力为100瓦。当然，USB-C接口规范变化，支持240瓦供电只是一个要素，对USB 4标准支持及兼容雷电3也是非常重要的驱动力。

USB供电发展史

从通信链路中取电的思路由来已久。由于使用方便、连接简单，而且真正支持热插拔，自1996年USB标准公布之后，USB逐渐取代其他串行接口，成为IT设备中最通用的接口。USB包含电源和地线接口，可以为接在其上的便携设备供电，在USB 2.0时代，USB接口就可以为外接设备提供2.5瓦的电能（5V@500mA）。之后USB标准组织旗下的电池充电工作组开始为USB接口（含USB标准接口及miniUSB和microUSB接口）制定充电标准，2007年推出USB充电标准1.0（USB Battery Charging v1.0，简称USB BC），在USB 3.0规范推出后，USB供电最大支持4.5瓦（5V@900mA）。

2010年12月发布的USB BC1.2规范规定，USB设备支持快慢充，最高充电功率可达7.5瓦（5V@1500mA）。

随着USB设备越来越多，从USB取电或者用USB接口充电的需求越来越多，但上述标准最多支持7.5瓦。只能满足手机等超便携设备的充电需求，而且由于功率有限，对于智能手机等大电池设备，需要数小时才能充满。为满足移动设备的供电与充电需求，USB IF另外成立了USB供电工作组,期待用一种接口满足对所有移动设备的供电需求。2012年7月 USB PD 1.0规格公布，最高可供应100瓦（20V@5A）电能，支持设备在供电（Source）与受电（Sink）间角色互换，从而让各种设备都能通过一条USB线来满足供电需求。该标准支持既有USB核心标准（USB 3.0/2.0及充电标准USB BC 1.2/1.1/1.0）

在3.1标准之前，USB PD有两次大版本升级，分别是2014年推出的USB PD 2.0,加入了对USB-C接口的支持；以及2015年推出的USB PD 3.0, 加入可编程电源供应，可兼容各家快充协议，最新可支持QC4+快充。

USB PD3/2版本区别在于是否支持可编程电源供应

从5V1A到超百瓦快充

智能手机的快充需求对USB充电功率的提升起到了决定性作用。由于其电池容量大、电量消耗快又成为多数人须臾不能离的设备，因此充电慢成为智能手机一大痛点，比如苹果公司在超过10年时间里，给手机标配的都是5V1A充电功率5瓦的充电器，电池充满需要数小时。

2013年，高通公司推行Quick Charge 1.0（简称QC 1.0）标准，提出“快充”概念，通过提高输入电流，高通芯片支持最高10瓦（5V@2000mA）充电功率，突破了USB BC 1.2协议1.5A充电电流上限。

由于当时microUSB接口仅能承受最高2A电流，所以2015年推出QC 2.0标准时，高通加入了高压方案，通过提高充电电压，来提升充电功率，QC 2.0标准最大功率达到24瓦。

而OPPO在2014年推出低压大电流充电方案，通过改变MicroUSB数据线中的触电、内部线，从头改造电路，制造专属OPPO的特制数据线，达到快速充电的效果，初代VOOC快充支持25瓦（5V@5A）充电功率。

以高通QC2.0为首的高压快充和以OPPO VOOC为首的低压大电流快充两种方案大幅度提升了充电速度，但低压大电流模式受限于micro USB接口问题，没有得到迅速推广。包括联发科Pump Express（PE）、魅族mCharge和Pump Express Plus（PEP）、华为早期Fast Charge Protocol（FSP）等快充技术都是这个时期出现的高压快充方案。

快充时代真正来临始于Type-C数据线的面世，USB-C数据线突破了2A电流限制，最大支持5A电流，从而可以满足USB PD规范的100W供电需求。伴随着安卓手机开始全面采用USB-C接口，各手机厂商纷纷开始启用低压大电流快充方案，华为兼容PD和高通QC协议的SuperCharge（SCP）、联发科Pump Express 3.0、魅族Super mCharge和mCharge4.0等快充方案由此产生。而高通也发现了低压方案的优势，在QC4.0快充协议上加入了低压大电流，即同时支持高压快充方案和低压大电流方案，主流手机快充功率飞跃到50瓦以上。

但中国手机厂商对充电功率的追求看起来并无止境。虽然USB PD标准最高支持100瓦。但到2020年，已经有多家手机厂商推出功率超过100瓦的手机快充方案。例如iQOO发布FlashCharge 120瓦超快闪充技术，OPPO superVOOC 125瓦超级闪充技术，以及小米的120瓦有线秒充技术。

从技术角度看，无论是OPPO超级闪充技术，还是iQOO超快闪充技术都运用了电荷泵方案，125瓦超闪技术采用转换效率98%的并联三电荷泵方案，其原理是充电器输出的20V 6.25A功率经过三个并联的电荷泵降压转换成10V 12.5A进入电池，每个电荷泵只需要转换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过载、过热的情况；iQOO 120W FlashCharge超快闪充技术则是利用转换效率97%的“双电芯串联”的电池方案，通过20V 6A充电器进入手机后分为双路20V 3A再各自使用一颗电荷泵分压输出10V 6A，最后合并成10V 12A对两串电芯进行高压直充。

实现240瓦供电在USB硬件设计时有哪些考虑？

对于百瓦以上的充电方案，虽然各厂商在手机侧做了大量保护措施，但是从充电器到手机侧的线缆与插头却无法保护，无论是6A（20V），还是6.25A（20V），都超过了USB PD规定的5A电流标标称值。

在USB PD 3.1中，标称电流仍然是5A，该标准通过提升电压来实现更大功率供电，旧标准最高支持20V电压，新标准中扩充了三个电压级别，分别是28V（100至140瓦）、36V（140瓦至180瓦）和48V（180瓦至240瓦）。

为支持超过百瓦的电力传送，USB标准组织将推出能支持高电压的专用USB线，并在电缆上标注EPR（Extended Power Range，高功率线缆），未标注EPR的传统USB线将被称为SPR（Standard Power Range，标准功率线缆）。EPR标USB线最低应支持53.65V电压，而在高功率线缆连接的电源脚的滤波电容耐压值不得低于63V。

USB设备在高功率应用中热插拔时，可能会出现电弧，如果对电弧放电不做保护，设备很容易被打坏。而供电电压越高，电弧危害性越大，所以供电电压越高，所需稳压电容越大，USB Type-C 2.1规范中对如何应对电弧危害，有比较详细的描述。

对芯片及设备业影响

超百瓦USB设备供电设计还有非常多的考虑，需要芯片公司和设备厂商去逐渐磨合。自USB-C接口和USB-PD规范推出以来，便携设备充电接口统一的进程加快了很多，但百瓦功率还不能覆盖高性能笔记本（功率可达数百瓦）等设备，新版标准出来之后，笔记本市场基本实现全覆盖，也给手机厂商继续冲刺“秒冲”记录打开了空间。但新版USB-PD支持电压到48V，已经超过安全电压，这给设备厂商在设计高功率设备时带来更多挑战。

对芯片公司而言，高功率应用需要更多防护措施，能在最低成本上实现安全设计的电源管理芯片厂商，将有机会吃到更多市场红利。而USB高功率供电需要更高能效的功率器件，这无疑将给当前火热的氮化镓（GaN）市场再加一把火，电源芯片行业专家印宁华表示，不只是氮化镓，MOS器件和碳化硅（SiC）器件也将迎来利好。而随着快充功率升级，PD协议解析也将是一个不错的市场，兼容充电器都需要PD协议解析芯片以支持原厂设备。

也有专家表示，随着USB-PD功率升高，更多家电设备也将支持USB接口供电。目前来看，除了空调、洗衣机等大功率设备，客厅和卧室多数设备已经支持USB直接供电，将来家庭供电布线时，甚至可以交流电与低压USB直供并排，更安全更便利。如果USB高功率供电技术成熟，将来在中低功率设备供电上一统天下将不是奢望。