你真的了解USB吗？USB充电大揭秘(一)

转自：芯片之家公众号 2016-12-22 原创： karaxiaoyu

• （关注我，你的眼睛会怀孕）

前言

在人们的固有印象中，如果要给手机充电，有电脑的USB口和手机充电器这2种途径。

• 但是最常见的问题在于充电的电流太小，从而导致充电的时间太长。
• 这是什么原因导致的呢？本文将把USB充电的一些常识做一些简单易懂的解释。

USB（Universal Serial Bus），通用串行总线，顾名思义，是为了通用而诞生的一种串行总线标准。

• 这个接口可以说是迄今为止在消费电子发展史上最为成功的接口，它统一了以前电脑上的各路英豪（比如老式打印机上又大又笨重的并口，键盘鼠标常用的PS/2接口等等），并且由于驱动在Windows系统里面的不断集成，到现在常用的USB设备基本上都可以做到真正的即插即用，以前买一个USB摄像头还需要满世界找驱动的日子已经一去不复返了。

• USB这个接口从诞生之初的目的就是为了统一各种外设，并且提供一定的供电能力给外设使用，所以它在设计之初就考虑了一些后向兼容性。

• 但它绝没料到人类的欲望是那么地无穷无尽，手机的屏幕越来越大，不过瘾了再弄个note，还有更大的pad。

• 在十几年后的今天（USB2.0的规范是2000年的时候由USB-IF组织发布的），大家插到USB口充电的都是几千毫安时的大容量电池了，从而也导致了目前出现的一系列问题。

USB接口简介：

• 我们以最常见的USB TypeA接口来简单介绍一下USB接口：

• 如上图所示，USB接口简单的不能再简单了，一共4根线，除了电源跟地，就只有D+/D-这一对差分数据线。

电源规则：

• 根据USB-IF组织发布的规范，USB设备只能从USB主机端口的电源VBUS汲取下列大小的电流：

100 mA（枚举之前）

500 mA（枚举之后）（对于USB3，为900 mA）

1500 mA（USB BC1.2握手之后）

2.5 mA（USB总线挂起）

• 所谓的枚举，就是指USB设备和USB主机相连之后（设备比如是一个手机或者U盘，而主机一般是一个电脑），USB设备会检测到D+和D-上的15K下拉电阻，以及VBUS上的5V；然后紧接着USB主机就会对USB设备分配地址并且进行初始化的过程。
• 可以看出，对于一般的电脑而言，它的USB端口可以提供的电流就是500mA，这是一个让现在动辄就标配3500mAh以上电量的各种note手机来说绝望充电电流。
• 我们来简单地掐指算算，如果把手机插入这样的USB端口进行充电，大约需要7个小时才能充满，这还没有计算充电到80%以后电流急剧减小所需要花费的额外时间。
• 这显然是各位童鞋所不能容忍的吧？可是USB-IF组织制定的规范就是如此，你总不能任性地说老子就是不遵守这个规范吧？其实你要任性地试试也可以，非要在标准的USB端口上汲取1A的电流，分分钟你就会在Windows右下角看到如下的提示出现：

**然后这个USB端口一段时间内就不能用了。。。**

既然如此，那怎么办呢？此时就要看各路神仙如何出招了。

• 最先行动起来的是第一批进入智能手机市场的厂商们，比如黑莓，苹果和三星，因为他们也注意到这样的充电方式会让童鞋们骂街。
• 他们的想法也很简单，既然USB设备插入标准的USB端口，会检测到D+和D-上的15K下拉电阻，同时根据USB的协议规范，进行一系列的USB协商过程——在这一过程中，看来500mA的电流上限是无法突破了。
• 他们索性来了个逆向思维，干脆不要D+和D-上的15K下拉电阻，反其道而行之，用其他阻值的分压电阻来处理D+和D-这两根数据线，让D+和D-分别呈现不同的电压，相当于做了一个“签名”在D+和D-上，让手机（也就是USB设备）插入这种“特制”的USB端口时，一眼就认出这是自己人，然后送点礼，轻松突破500mA的充电电流限制进行充电。
• 这样一来，既不违反USB的八项规定，又可以在自己的充电器上提供大电流进行充电，这不是你好我也好的美事么？

早期常见的厂家自定义USB充电器定义如下：

电压	苹果1A	苹果2.1A	苹果2.4A	三星平板	三星手机
D+	2.0V	2.7V	2.7V	1.2V	0.9V
D-	2.7V	2.0V	2.7V	1.2V	0.9V

• 苹果的2.7V和2V配置已成经典，很多手机都兼容它。
• 这种看起来两全其美的办法，其实还是有很多问题。
  • 比如说，各个厂家的充电配置不通用，会带来各种兼容性的问题以及浪费，有时候你明明有一个三星的充电器，它可以对三星手机提供2A的充电电流，可是你买了一个iPhone之后，用三星的充电器可能就充不了电，不得不另外去买苹果专用的充电器。
  • 而更大的问题在于，在智能手机如此普及的今天，所有的电子厂商都希望自己的产品提供的USB口除了可以正常传输数据之外，还可以提供大电流的充电能力，比如笔记本电脑，比如汽车中控主机，等等。
  • 可惜的是，传输数据和大电流充电，两者不能兼容。试问你苹果已经把D+和D-固定在2.7V和2V了，还怎么传输数据？因此必须想别的办法。

所幸的是USB-IF组织终于注意到了这个问题，并且在2010年10月正式发布了Battery Charging 1.2（简称BC1.2）的标准。

• 这是一个姗姗来迟却又无比重要的标准，它解决了上述2个严重的问题。
• 首先这是USB-IF组织正式发布的标准，意味着在兼容性上有绝对的优势，你不支持标准就不能在这圈子里混，不会再出现苹果支持，而三星不支持的囧况
• 其次它解决了无法同时传输数据和大电流充电的问题。 那么这又是如何办到的呢？

在BC1.2的标准里面，定义了3种USB的端口，分别是：

SDP——Standard Downstream Port，标准下行口

CDP——Charging Downstream Port，充电下行口

DCP——Dedicated Charging Port，专用充电口

• 我们简单地说，SDP和以前最多支持500mA的USB口是一回事，这里只是换了个名字，叫SDP，实际上是换汤不换药。

• DCP呢，顾名思义当然只能充电，而不能传输数据，所以基本上只会在充电器上看到这种USB端口。

• 而CDP就牛逼了，它又能传输数据，又能大电流充电，童鞋们是不是被它震住了？

• 其实道理也非常简单，我们都知道USB2.0一共就4根线，而D+/D-这2根数据线和5V的VBUS是分开的，换句话说，完全可以做到D+/D-传输数据，而VBUS提供电源大电流充电就行了，不矛盾。之所以以前不行是因为USB-IF出于安全考虑（或者说当时没有远见。。。）把USB设备所能汲取的电流限制在了500mA而已。当然这么多年过去了，这已经是事实婚姻，想直接把这个电流限制取消也不现实，必须要考虑以前设计的USB主机的兼容性。

• 比如说以前的电脑USB口就只能提供500mA的电流，通常主板里会有5V的限流开关对VBUS的电流进行限制，一般这个值是设在500-700mA的，因为它默认不会有消耗电流超过500mA的USB设备会插进来。如果现在把这个500mA的电流限制取消，一个手机插进一个这样的USB端口充电，电流起码1A往上，那结果就是这个USB端口无法工作，因为它断电保护了（还记得前面你任性导致的过流保护图片吧），所以此路不通。

• 唯一的办法就是在500mA电流的基础上，再增加一道验证手续

  • 也就是说，如果CDP的验证不通过，那就说明USB主机或者设备，至少有一个是不支持大电流充电的，那么就停留在500mA的状态下就好了，不会造成任何问题。
  • 假如CDP验证通过了，那就说明USB主机和USB设备都支持大电流充电，此时USB设备就会突破500mA电流的限制，从VBUS汲取更大的电流进行充电。同时，数据的传输还是和以前一样照旧从D+/D-上传输，所以不会有任何影响。

• 这一官方组织发布的BC1.2标准影响是重大的，连一向特立独行的苹果都率先支持BC1.2，这可能颠覆了很多人对苹果的印象，一直吊炸天的苹果怎么这回老实了？

  • 2012年9月发布的iPhone5（操作系统iOS6），已经完整地支持CDP和DCP充电，体现了苹果公司的先进性（同期的很多三星，华为等品牌的手机还不支持BC1.2）。当然，苹果自己原创的经典“D+ 2.7V / D- 2V”充电配置还是要继续支持的。

好了，BC1.2的来龙去脉介绍完了，欲知CDP和DCP是怎么实现的，且听明天的大揭秘之二。

原文链接

明天更精彩哦！

长按识别二维码 关注“芯片之家公众号”

---

文章作者:糖醋鱼

版权声明:转载请注明来自糖醋鱼的博客

---