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。
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）。
圖1: HVDCP (High Voltage Dedicated Charging Port) 結構圖
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。
前面提到，在D-電壓維持低於 VDAT_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 VSEL_REF (約為2V) 區分 3.3V (VUP) 與 0.6V (VSRC)。在Portable device提出充電要求後，HVDCP會在一段時間 TGLITCH_MODE_CHANGE (20-60ms) 後開始調整 VBUS 輸出電壓，並在 TV_NEW_REQUEST (200ms) 時間內完成 VBUS 切換，到達Portable device所要求的 VBUS 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
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TGLITCH_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VBUS電壓上升0.2V。若要降低VBUS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TV_CONT_CHANGE (2ms) 內，HVDCP要將VBUS升或降到最終應到達的電壓值。
TGLITCH_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VBUS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
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
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
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。
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發佈日期 2023/03/03 AN-230303-TW