快充規格 Quick Charge 2.0 與Quick Charge 3.0 原理與介紹

Granite River Labs, GRL
Dennis Lan

因USB介面的普及，市面有許多電子產品皆使用USB介面傳輸資料，對於USB供電能力的需求也越來越大。從USB 2.0供電能力只有2.5W (5V@0.5A) 的時代，到USB 3.0的4.5W (5V@0.9A)，支援BC 1.2的產品供電能力也只到7.5W (5V@1.5A)。然而，需求的提升帶動進步，在維持BC 1.2架構的前提下，高通 Qualcomm 於2014年發表了Quick Charge 2.0技術（簡稱QC 2.0），QC 2.0的供電能力最高為60W (20V@3A)， 一下子就提升了將近八倍的瓦數；再隨著Quick Charge 3.0（簡稱QC 3.0）的發表，加入Continuous mode的功能，步階調整的特性使供電的電壓多出許多選擇。

快速充電端口 - HVDCP

HVDCP全名為High Voltage Dedicated Charging Port，是由高通所定義出來的一種快速充電設備，其中DCP (Dedicated Charging Port) 指的是沒有USB資料傳輸功能的專用充電埠。

HVDCP具備與Portable device（便攜式設備）溝通的能力，能夠協議要用多大的電壓來進行供電，供電能力又可以區分成Class A & Class B。 Class A具備5V、9V、 12V的供電能力；而Class B除了5V、9V、 12V外，還需支援20V電壓。支援QC 3.0的HVDCP必須能向下支援QC 2.0。

表1: Class A & B HVDCP 分別支援的供電電壓

HVDCP偵測原理：兩端設備皆需支援Quick charge

HVDCP作為充電端，應搭配一個支援Quick charge的Portable device作為被充電端，並且當Portable device偵測到HVDCP後，才對其進行充電行為。Portable device偵測HVDCP前半段的過程與BC 1.2 規範所定義的雷同（了解BC 1.2：USB Battery Charging 1.2 測試介紹）。

• 第一步驟為 V_BUS Detect：當Portable device接上HVDCP，並偵測到 V_BUS 電壓大於內部的有效電壓閾值V_{OTG_SESS_VLD} (0.8-4V)，即表示Portable device接上一個有效的電路。
• 第二步驟為Primary Detection：HVDCP會將其上方的D+ / D-經由R_{DCP_DAT} 短路在一起，Portable device會在D+上供一個電壓V_{DP_SRC} (0.6V)，並比較D-上的電壓 (VDM) 是否大於V_{DAT_REF} (0.25-0.4V)，若V_DM大於V_{DAT_REF}表示該HVDCP有支援BC1.2。接著藉由偵測D+電壓大於V_{DAT_REF}超過一段時間T_{GLITCH_BC_DONE} (1-1.5s) 來確認Portable device可以完成BC1.2的偵測程序。
• 第三步驟開始就與BC1.2無關了：HVDCP會斷開D+/D-，並打開R_{DM_DWN}以告知Portable device此HVDCP支援QC。最後D-電壓維持低於V_{DAT_REF} Min (0.25V) 一段時間T_{GLITCH_DM_LOW} (1ms) 後，HVDCP即可以開始回覆Portable device所提出的電壓要求。

圖1: HVDCP (High Voltage Dedicated Charging Port) 結構圖

比較 QC 3.0 和 QC 2.0 – 充電速率有何差別？

其實支援QC2的HVDCP，與支援QC3的HVDCP擁有幾乎完全相同的供電能力。QC2的HVDCP一樣區分為Class A & Class B， Class A具備5V、9V、12V的供電能力；Class B則多支援20V。唯一的差異是QC2 HVDCP並不支援Continuous mode，因此無法像QC3的HVDCP具有步階調整VBUS電壓輸出的能力。

由Portable device發起不同電壓的要求

前面提到，在D-電壓維持低於 V_{DAT_REF} 一段時間後，HVDCP即可以開始回覆Portable device所提出的不同電壓模式要求。Portable device藉由 切換不同的D+/D-準位 來向HVDCP提出充電要求，高準位為3.3V，低準位為0.6V，並以 V_{SEL_REF} (約為2V) 區分 3.3V (V_UP) 與 0.6V (V_SRC)。在Portable device提出充電要求後，HVDCP會在一段時間 T_{GLITCH_MODE_CHANGE} (20-60ms) 後開始調整 V_BUS 輸出電壓，並在 T_{V_NEW_REQUEST} (200ms) 時間內完成 V_BUS 切換，到達Portable device所要求的 V_BUS 電壓。

表2: 不同的HVDCP供電模式所對應的D+/D-電壓

圖2: Portable device requests 12V mode

比較 QC 3.0 和 QC 2.0 – 充電速率有何差別？QC 3.0所支援的Continuous mode原理與功能

Portable device藉由將D+設至0.6V，D-設至3.3V來向HVDCP提出進入Continuous mode的要求，並經過一段時間T_{GLITCH_MODE_CHANGE} (20-60ms) 即進入Continuous mode。在Continuous mode中， Portable device可將D+由0.6V短暫升至3.3V，再降回0.6V，形成一個D+的Pulse（脈衝），使V_BUS電壓上升0.2V。若要降低V_BUS電壓，則將D-由3.3V短暫降至0.6V，再升回3.3V，形成一個D-的Pulse，如此可使VBUS電壓下降0.2V。Portable device一次可以發出多個D+或D-的Pulse，每一個Pulse皆有將VBUS電壓上升或下降0.2V的效力。不管有幾個Pulse，從最後一個Pulse的rising edge (如果是D+升到3.3V) 或falling edge (如果是D-降到0.6V) 開始起算T_{V_CONT_CHANGE} (2ms) 內，HVDCP要將V_BUS升或降到最終應到達的電壓值。

T_{GLITCH_CONT_CHANGE} (100-200µs) 則定義Pulse上升 (rising edge) 或下降 (falling edge) 應完成的時間，只要符合時間即為一有效的Pulse，進一步使V_BUS電壓升降。

圖3: Portable device requests Continuous mode and makes a D+ pulse

圖4: 放大圖3中D+ Pulse

用Power profile讀取最大可輸出電流

Power profile用以顯示HVDCP在不同的電壓下運作時，最大可輸出的電流值為多少。下圖顯示支援QC3的Class A HVDCP，可能會有兩種Power profile機制。Power profile中，小於6V的區域為Region A，大於6V的區域為Region B。可注意到在Continuous mode下，電壓為3.6-6V時最大可輸出3A的電流，就表示此HVDCP能供給的最大瓦數為18W (6V/3A)。

因此當電壓從6V上升到更大的電壓，電流會隨之下降，進而維持總瓦數不超過最大瓦數，不同的電流下降方式正是下面兩張Power profile所表達的；圖5中隨著電壓上升，電流以階梯狀的方式下降，瓦數不會達到最大瓦數；圖6中，隨著電壓上升，電流以最大瓦數固定的模式平滑的下降。而當HVDCP運作在Region B時， 也必需要支援當電壓切到Region A時，最大可輸出的電流回到3A的能力。

圖5: Class A HVDCP power profile for HVDCPs

圖6: Class A HVDCP constant power profile

HVDCP對於Portable device的供電限制 (Adapter collapse behavior)

當Portable device所抽的電流超過Power profile所定義HVDCP在不同電壓下可供給的最大電流，HVDCP必需具備將電壓調降至臨界點 (Threshold) 以下的能力（請參考表3），並維持 TGLITCH_UVLO (20ms)，藉此讓Portable device知道HVDCP在該電壓可供給的最大電流值為多少，此行為就是Collapse。Collapse之後，HVDCP不可以再切換輸出電壓或是降低輸出電流。

表3: VBUS collapse thresholds

結論

高通發表的Quick charge快充規格大幅提升了供電能力並且擁有完整的供電機制，除了從原先BC1.2的7.5W (5V 1.5A) 到QC 2.0與QC 3.0的60W (20V3A)，在BC1.2架構之上， Portable device得以偵測到HVDCP，並藉由調整D+/D-電壓的方式來向HVDCP提出不同的電壓需求（包含5V、9V、12、20V），在QC3下更可利用D+/D-的Pulse進行電壓步階調整。倘若Portable device向HVDCP抽取的電流超過HVDCP在該電壓下可供給的最大電流，HVDCP也有完善的Collapse機制，讓Portable device知道其供電能力。

GRL是Qualcomm授權的第三方QC認證測試實驗室，除了完整的QC認證測試，我們有多位在USB介面與充電技術領域深耕的專家，亦能提供USB PD認證測試服務；若您有任何與充電技術規格相關問題，歡迎與我們聯絡。

參考文獻

1. High-Voltage Dedicated Charging Port, Qualcomm ® Quick Charge™ 3.0 Interface Specification2017
2. High Voltage Dedicated Charging Port, QuickCharge 2.0 Interface Specification, March 27, 2014

作者
GRL台灣測試工程師 Dennis Lan

本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。

發佈日期 2023/03/03 AN-230303-TW