术语：

标准下行端口（SDP，Standand Downstream Port）：

这种端口的D+和D-线上具有15kΩ下拉电阻。限流值为：挂起时2.5mA， 连接时为100mA，连接并配置为较高功率时为500mA。 它其实就是一种普通的USB模式，当USB处于这种模式时 既可以为外部设备（手机充电、充电宝）充电， 也可以起到数据连接的作用（U盘、手机上传/下载）。

● 专用充电端口（DCP，Dedicated Charging Port）： 这种端口不支持任何数据传输，但能够提供1.5A以上的电流。 端口的D+和D-线之间短路。这种类型的端口支持较高充电能 力的墙上充电器和车载充电器，无需枚举。它其实就是简单 的充电器，当USB处于这种模式时只能进行充电而不能进行数据连接。

● 充电下行端口（CDP，Charging Downstream Port）： 这种端口既支持大电流充电，也支持完全兼容USB 2.0的数据传输。 端口具有D+和D-通信所必需的15kΩ下拉电阻，也具有充电器检测阶 段切换的内部电路。内部电路允许便携设备将CDP与其它类型端口 区分开来。它其实就是带有快充功能（1.5A）的USB接口，当USB 处于这种模式时既可以进行快充，也可以起到数据连接的作用。

一、关于


USB


充电的一些背景知识

很多开关电源方案供应商在推荐其电源方案时会把USB电源方案单独归类，这是为何呢？在我们的直觉之中，USB端口的电源不就是提供一个稳定的5伏输出而已吗？实际上，USB端口的电源具有一定的特殊性，主要体现在下几个方面：

1、首先，USB接口是一个对外的接口，所以需要更多的

保护及错误诊断

措施，保护方式分电源输出端的过压、过流、短路（短路至电池正极或负极，Short to Battery/GND）的保护和对数据线的ESD及短路至电源或电池(Short to VBUS/Battery)的保护等；

2、其次，USB接口的服务对像是各式各样的便携设备，为了更好的服务和兼容不同的外设，USB协会制定了一套USB充电协议，这就是著名的

BC1.2


协议

；

3、此外，USB充电线也许会很长（一米甚至更长），所以充电线上会损失较大的电压，到达终端设备的USB接口处电压也许会不足，所以在设计时需要考虑

线损补偿

；

1


、何为


BC1.2?

BC是Battery Charging的简写，这是隶属于USB-IF的一个工作小组。BC工作小组的诞生是为了规范便携设备的电池充电的需求，因为此前的USB2.0协议（于2000年颁布）没有预料到便携外设特别是智能手机的发展会如此迅猛。USB2.0协议规定外设从USB充电器抽取电流的最大值为500mA，具体规定如下：

1、外设默认只能抽取100mA的电流；

2、外设只有在与主机进行功率协商（一系列的握手与配置）成功之后才能抽取最大为500mA的电流；

3、当总线进入“挂起”模式（经过一段时间的延迟后，总线上没有数据活动），允许外设吸取的最大电流将被限制至2.5mA。也就说如果便携设备的电池完全耗尽，尝试使用标准的USB端口进行充电时，只能靠2.5mA的电流缓缓的充电直至被系统唤醒。

现在的矛盾是要么最大500mA的电流限制无法满足日益增长的电池容量对快速充电的需求，要么没有电流限制的野蛮充电方案隐患重重（很多厂家并没有严格遵守USB协议的规定）。好的充电方案必须知道如何通知便携设备从USB端口吸收多少电流是安全的且对超出预期的事件需要有相应的措施。如果吸收电流超过预期，USB端口将如何响应？将端口完全关断，并一直保持关断状态，直到外设拔出后再重新插入还是触发USB系统复位，重新启动枚举过程等等。BC1.2协议就是在这样中的需求下诞生的，它的目的是统一和规范USB充电方式，成熟版本是发布于2010年12月的1.2版本，所以约定俗成的称作

BC1.2


协议

。

2


、


USB


充电模式

BC规范的核心内容是引入了

充电端口识别机制

。一个符合BC规范的便携式USB设备或OTG设备通过这套机制可以识别出主机的USB端口类型：

1）、标准的USB下行接口(Standard Downstream Port,

SDP

);

2）、USB专用充电器(Dedicated Charging Port,

DCP

);

3）、针对充电做过优化的USB下行接口(Charging Downstream Port,

CDP

)；

然后，便携设备将根据不同的端口类型，按照BC规范的要求来获取不同的电流。

表1.1、SDP,CDP和DCP的对比

SDP就是USB2.0协议中定义的普通USB接口，CDP是对SDP的优化将最大电流提升到了1.5A;DCP是专门的USB充电器，无数据通信，最大电流被限制为1.5A。

3


、


USB


充电端口的识别机制

图1.1 USB物理接口

当USB外设(Device)插入到主机(Host)的USB端口时，VBUS先于数据线（D+/D-)被接触（如图1.1），所以由VBUS事件触发Device启动检测进程。

图1.2 USB端口侦测步骤分解

端口检测的目的是为了识别Host的USB端口是什么类型的端口，所以整个检测过程是由Device主导（发起询问），Host配合（响应咨询）。端口检测的具体步骤及每个步骤的内容如图1.2所示。USB端口类型的识别机制如图1.3所示，本文只讨论此三种常见模式（

SDP

,

CDP

和

DCP）

，如需了解更多细节及更多模式请阅读BC1.2协议原文。

图1.3 USB充电模式检测

此处穿插一个关于USB通讯速率侦测的小知识点，图1.3提示针对Low Speed的USB设备来说逻辑高电平由D-引入，这是由于USB的速率侦测（Low Speed和Full Speed）是通过D+或D-上加上拉电阻实现的，如图1.4。

图1.4 由D+/D-的上拉电阻区分Full-Speed和Low-Speed

Full-Speed和High-Speed都是通过D+上拉至逻辑高电平，它们两者的区分是通过进一步操作D+/D-产生一系列的高低电平被称作Chirp（唧唧）信号来区分的，此处不作展开，有兴趣请阅读USB2.0协议原文。

4


、私有


USB


专用充电器端口的识别机制

虽然BC1.2已经定义了关于USB专用充电器的DCP协议，但是一些大的手机制造商出于各种利益权衡发展了私有的USB专用充电器协议，当然原理也是基于DCP协议的，只是分配给D+/D-不同的电压值进行区分（被称作

Divider Mode

）。

图1.5 USB充电Divider Mode

主流的几种私有USB专用充电协议如下：

APPLE:

SAMSUNG:

Samsung 设备使用多种充电方法。在某些 Samsung 设备（Samsung Galaxy 平板电脑）的专用充电方法中，D+和D-引脚偏置为相同的电位（~1.2 V）。Samsung Galaxy S系列（S3 和 S4）采用了 标准的DCP模式。

其它专用的充电器




:

除上述专用充电器外，市场上还有其它专用的充电器，如Sony、Blackberry 等旧型设备使用的充电器。

图1.6 SONY充电的端接电阻配置

面对如此繁杂的端口电阻的配置，我们只需要选择一款合适的USB充电管理芯片，剩下的事情交由它来处理，一般无需系统介入，芯片会在硬件上自动进行枚举。只是在选择芯片时，我们需要特别关注它对BC1.2三大充电模式（SDP，CDP，DCP）及主流USB便携设备的私有协议的兼容能力。

三、应对线损的充电电压补偿

充电电流越大，在USB充电线上所引起的压降也越发严重，特别是在车载设备上的问题日益凸显。车载设备如汽车娱乐系统的USB有时会从中控台通过长度相当可观的线束引至扶手箱处，这根USB充电线有时会长达两米，再加上用户的充电线整体长度可能会超过三米。实测某条正规的USB充电线（长度0.4m）的线阻为0.15Ω，当充电电流为1A时，线上压降将达到0.5V（1A*0.15Ω*2=0.3V），所以到达终端的电压只剩4.7伏了，如果充电线长度更长甚至充电电流更大时，情况将会更加糟糕。

图1.7 USB充电线的压降损耗

应对此类问题，带线损补偿的USB充电电源开始流行。所谓

线损补偿

是实时监控充电电流的变化，然后实时调整输出电压以达到抵消或弥补充电线上的压降的目的。如果监控到充电电流增加，则立刻提升充电电压，反之降低输出电压。

图1.8 USB充电线的压降损耗补偿原理

线损补偿的原理如图1.8所示，首先在USB供电线中串入一粒采样电阻Rsense，Rsense的阻值必须足够小（如0.01Ω），所以需要一个放大电路放大Rsense上的压降得到Vsense，然后Vsense通过R3去改变FB管脚的电压达到“欺骗”开关电源的目的。线损补偿的效果如图1.9示意。当然，这种补偿措施的局限性也是很明显的，充电线的

线阻

必须

已知且固定

，否则可能会引起过调或欠调的问题。

图1.9 USB充电线的压降损耗补偿效果示意

在设计中，如果必须采取线损补偿的话，将会有几个方案的选择：

1、在成本不敏感或可靠性要求高的时候，选择一款具备线损补偿功能的

集成电路

是最好的选择；

2、集成电路方案有时会捆绑销售，你不得不为一些你暂时或并不需要的功能而买单。所以当成本敏感时，可以按照图1.8的示意使用

运算放大器

直接搭一个线损补偿电路出来；

3、即使使用运算放大器还是感觉代价高的话，可以进一步简化成图1.10的

分离元件

的方案。

图1.10 低成本的USB充电线的压降损耗补偿电路

四、


USB


充电技术的未来

毋庸置疑，

快充（


Quick Chaging)

是趋势。本质上，快充就是

更快的功率传递

，功率是电压和电流的乘积(P=V*I)。

显然，在不断增大充电电流的路上，我们已经触碰到了天花板。一则充电线上的压降损耗的影响日益凸显；二则，USB端口及充电线的耐流值也已接近极限（一般为2A左右），过大的电流负荷会引发发热甚至燃烧的严重后果。

图1.11 通过提升充电电压达到快充的目的

虽然在增加电流的道路上遭遇了瓶颈，但是人们很自然的想到了通过提升电压来提供更大功率的传输，图1.1是以手机充电为例的高压充电模式。2012年7月，第一版关于USB充电的协议发布，命名为

U

niversal

S

erial

B

us

P

ower

D

elivery Specification，简称

USB PD

。USB PD明确了通过提高USB电压达到更大功率传输的充电方式，根据USB PD的规划（图1.2），USB最大将可提供100W的功率传输。同时，USB PD根据不同的功率等级把功率传输分成了五个等级（

Profile 1~5

）,如图1.13。

图1.12 USB PD的Road Map

图1.13 USB PD的Profile

但是USB PD并非是强制性协议，所以有能力的手机厂家纷纷推出了其私有快充协议，一番群雄逐鹿的嘈杂景象，而USB PD协议则如同周天子的诏书一直被供着但未见执行。市场上的私有快充协议基本上是基于高通QC2.0/3.0和MTK PUMP EXPRESS的技术，然后套个马甲。它们在原理上大同小异，首先从5V开始充电（为了向下兼容），然后充电器和手机互相识别，在电流最高2A的情况下提高充电器到手机USB端口的电压（QC2.0分5V/9V/12V几档，QC3.0以200mV增量为一档，提供从3.6V到20V电压的灵活选择）。高通和MTK的快充技术的主要区别是充电器和手机的握手识别方面，高通QC协议是基于D+/D-上的分压电阻来识别的，MTK是通过电流波动来识别的。

随着USB3.1协议及新的

USB TYPE C

连接器的出现，群雄逐鹿的局面有望被结束，

USB Type C


连接器

的主要

优点

如下：

1、集充电、数据传输及视频输出于一身，简化了设计及减小了机械尺寸；

图1.14 USB TYPE C接口示意图

2、支持USB3.1，最大速率可达

10Gbps

;

3、支持USB PD，最大传输功率可达

100W

。不同于目前市面上的快充技术，USB Type C接口有专门的数据线“CC”来负责两边的功率协商。

图1.15 USB TYPE C接口对USB PD协议的支持

4、支持功率的

双向传输

，也就是说两台笔记本之间可以互相给对方进行充电；

5、不区分方向，

正反都可插

；

图1.16 USB TYPE C接口定义

参考文献：

1、Battery Charging Specification V1.2 December 7,2010

2、Universal Serial Bus Power Delivery Specification V1.2 June 26,2013

3、USB 电池充电规范1.2版概述及适配器仿真器的重要性