Протоколы быстрой зарядки

Протоколы быстрой зарядки — методика передачи повышенных мощностей через стандартный разъём USB. Для включения требуют процедуру «рукопожатия», и потому предназначены в первую очередь для зарядки устройств персональной электроники — смартфонов, планшетов, цифровых фотоаппаратов и даже ноутбуков (далее — гаджет).

Изначально зарядка идёт, как будто порт компьютерный: зарядное устройство (далее — ЗУ) подаёт на порт 5 вольт, а гаджет — расходует из порта не более 100 мА. Чтобы зарядка стала быстрой, ЗУ и гаджет должны оговорить подъём передаваемой мощности:

• Гаджет разрешает ЗУ поднять напряжение порта сверх штатного.
• ЗУ говорит гаджету, какой ток оно может выдавать.
• Могут существовать и другие механизмы: прямое подключение аккумулятора к ЗУ для снижения нагрева, проверка нагрева порта, потерь напряжения на кабеле…

Подавляющее большинство протоколов быстрой зарядки используют линии D+ и D− не по назначению, и потому не могут совмещать передачу и мощности, и данных. По той же причине кабель с перебитыми проводами D+ и D− не годен даже для зарядки.

Технология быстрой зарядки не ограничивается одними протоколами: здесь и химия аккумуляторов, и схемы зарядных контроллеров. Но именно протоколы разделили смартфонный мир на множество несовместимых лагерей — так, один из пауэрбанков Baseus поддерживает USB Power Delivery, Quick Charge и его расширения, и Huawei Fast/SuperCharge^[1]. И только один из старых протоколов — порт зарядки DCP — поддерживается почти всеми.

Предпосылки

Телефоны начала 2000-х имели как минимум три разъёма: для ЗУ, для компьютера и для аудиогарнитуры. Зачастую (Motorola, Sony Ericsson) один многоконтактный разъём брал на себя несколько функций. С миниатюризацией гаджетов эти разъёмы стали слишком громоздкими — уже Motorola RAZR V3 (2004) подключал ЗУ, кабель и гарнитуру через один порт MiniUSB^[2].

Компьютерный порт USB 2.0 (в терминологии USB-зарядки Standard downstream port, SDP) может выдавать гарантированно (например, от хаба без питания) 5 В · 0,1 А = 0,5 Вт и максимально 5 В · 0,5 А = 2,5 Вт^[3]. Это мало даже по меркам смартфона вроде Nokia Series 60, и к увеличению этого тока есть препятствия:

• То, что мы привыкли называть ЗУ, по факту лишь обратноходовой блок питания, источник напряжения, а ток выводится по закону Ома. Таким образом, гаджет решает, каким током ему заряжаться — и ЗУ должно сказать гаджету максимальный допустимый ток. В простейшем случае — «все ЗУ, поддерживающие протокол X, гарантированно выдают ток Y ампер».
• По закону Джоуля — Ленца выделяющаяся на кабеле тепловая мощность ${\displaystyle P=I^{2}R}$, и при повышении тока значительно увеличивается нагрев проводов и контактов. Метод передачи больших мощностей разработал ещё Никола Тесла — поднять напряжение, и ЗУ с гаджетом должны вместе выбрать подходящее.
• Всё это приходится делать по имеющимся проводам USB, так что в ход идут высокочастотная передача через линию питания, перемыкание проводов, установка нестандартных напряжений… К тому же ЗУ — силовое устройство, и хотелось бы держать там не микроконтроллер, а логические элементы или даже пассивные компоненты. Гаджету это не требуется: большинство гаджетов, зарядившись до минимального уровня, включают процессор.

Для работы с большими мощностями (десятки ватт) могут включаться особые механизмы:

• Мощные кабели могут снабжаться идентифицирующими микросхемами, чтобы не гонять через слабые кабели большие токи.
• Прямая зарядка аккумулятора: для снижения нагрева гаджета + и − аккумулятора напрямую подключаются к USB-проводу, и работает контроллер заряда, встроенный в ЗУ — то есть из блока питания оно становится настоящим зарядным устройством.
• Устройства могут контролировать нагрев друг друга и потери напряжения на кабеле в реальном времени.

В середине 2000-х из этих вопросов стоял лишь один — как отличить мощное ЗУ от маломощного компьютерного порта, желательно дёшево. И простейшим протоколом для этого стал…

Dedicated charging port (DCP)

Первый протокол быстрой зарядки, порт специально для зарядки, стихийно придуман в середине 2000-х, и в 2007 году^[4] внедрён в стандарт USB 2.0. На конец 2010-х абсолютно все универсальные ЗУ и пауэрбанки, и подавляющее большинство гаджетов поддерживают этот режим, считая его базовым, а не быстрым.

На стороне ЗУ линии D+ и D− замкнуты накоротко. Гаджет видит это и понимает, что ему доступны 5 В · 1,5 А = 7,5 Вт (в версии USB Battery Charging 1.2, 2010 год)^[3][4].

Некоторые гаджеты брали и больший ток, это надо только знать — и подключать DCP-ЗУ, допускающее этот ток. Максимальный ток не ограничен стандартом USB, и ЗУ имеет право уходить в защиту, чтобы сберечь собственные схемы^[4].

DCP поддерживали устройства Nokia, Fly, Philips, LG^[5]

Charging downstream port (CDP)

Стал частью протокола USB 2.0 одновременно с DCP. Позволяет одновременно зарядку и данные. Поскольку через линии VCC и GND идёт большой ток, устройства, поддерживающие CDP, имеют особые требования к помехозащите.

На стороне ЗУ оба провода данных, D+ и D−, подключены к земле резисторами около 20 кОм^[4].

Процедура зарядки через DCP и CDP такая.^[4]

1. Если гаджет полностью разряжен (в стандарте — dead battery), он может заряжаться током 100 мА, пока не сможет включиться.
2. Гаджет опускает ток до 50 мА и производит «рукопожатие», посылая тестовые напряжения 0,6 В на D+ и D−.
3. После этого гаджет может брать с порта ток 100 мА для SDP, 1,5 А для остальных.
4. Если гаджет обнаружил SDP/CDP и желает подключиться к нему, он может сделать одно из трёх:
   • В течение секунды после подключения перечислить свои оконечные точки.
   • Загрузить ОС за 45 секунд после «рукопожатия» и перечислить свои оконечные точки.
   • Если загрузка ОС длится дольше, или требуется вмешательство пользователя — на это время снизить ток до 2,5 мА.
5. Токи от 100 до 500 мА с SDP можно брать только после перечисления оконечных точек и конфигурирования порта.
   • Если опознан порт USB3 — до 150 мА можно брать «без спроса», 150…900 мА после конфигурирования.
6. ЗУ, желающее сменить режим — например, чтобы перейти с простого порта на DCP, с проприетарного протокола на стандартный — может это делать только кратковременным (не менее 0,1 с) снятием напряжения с VCC. Гаджет распознает это как отключение-подключение ЗУ и проведёт новое «рукопожатие»^[4].

DCP-подобные кодировки портов

Отдельные производители начали делать собственные схемы портов, напоминающие DCP. Гаджеты, не обнаруживавшие «свою» кодировку, или заряжались меньшим током по стандарту USB, или вообще не заряжались^[5]. Существуют три основных схемы таких кодировок^[6][5]:

• Подключить D+ к одному делителю, и D− к другому. Примеры: Apple 0,5 А — по 2,0 В; Apple 1 А — D+ 2,0 В, D− 2,7 В; Sony — по 3,3 В.
• Замкнуть D+ и D−, и подключить их к одному делителю. Пример: ЗУ на 2 А для планшетов Samsung — 1,25 В.
• Использовать штырь ID. Пример: Garmin — между ID и землёй 18 кОм.

Qualcomm Quick Charge

Quick Charge 1.0 (2013) был обычной DCP-подобной кодировкой на 5 В · 2 А, и использовался незначительно.

Quick Charge 2.0 (2014) стал первым широко распространившимся протоколом, позволившим подъём напряжения сверх стандартных 5 вольт. Поддерживается в той или иной версии всеми процессорами Qualcomm Snapdragon. Протокол закрытый, но достаточно простой и хорошо известен из описания работы схем сторонних производителей^[7].

1. Изначально ЗУ замыкает линии D+ и D−, прикидываясь портом DCP.
2. Гаджет ставит на D+ напряжение 0,6 В, стандартное напряжение для опознания DCP/CDP^[4], и держит его несколько секунд — «я поддерживаю Quick Charge».
3. Спустя 1,25 секунды ЗУ разъединяет D+ и D−, закорачивая D− на землю через 20-кОмный резистор — «я тоже поддерживаю Quick Charge».
4. Гаджет устанавливает пару напряжений на D+ и D−, указывая желаемое напряжение питания.

Допустимый ток в QC 2.0 никак не оговаривается: гаджет с MicroUSB просто берёт 2 ампера, а с USB-C — 3 ампера.

Существует много расширений и подмножеств QC 2.0 — например, Samsung Adaptive Fast Charging (AFC) выдаёт только 9 В^[8]. Motorola TurboPower также основан на Quick Charge.

QC 4.0 заявлен как сосуществующий с USB Power Delivery: гаджет, поддерживающий то и другое, сначала связывается по USB-PD, а при неудаче — по QC4.

USB Power Delivery

USB Power Delivery 1.0 был заспецифицирован даже раньше Quick Charge, в 2012 году. Этот протокол был значительно сложнее всего описанного выше — гаджет и ЗУ общались по линии VCC цифровым кодом частотной модуляцией на частоте 24 МГц. Использовался мало.

В 2013 году вышел USB Power Delivery 2.0, как неотъемлемая часть USB 3.1. Напряжение питания оговаривалось новыми проводами разъёма USB-C — CC1 и CC2, также по цифровому протоколу. Позволял поднимать напряжение до 9, 15 и 20 вольт. Со специальными кабелями с микросхемой можно было передавать 20 В · 5 А = 100 Вт. Гаджеты Apple перешли на этот протокол, потому он широко поддерживается сторонними ЗУ. Зарядка от USB-A обычно медленнее — ведь в USB-A нет новых проводов.

USB-PD предназначен не только для зарядки, но и для питания, и позволяет намного больше, чем прочие протоколы зарядки^[9]:

• Заряжать хост от периферии.
• Перегретое ЗУ может попросить у гаджета сбавить потребление.

В 2016 году стандарт обновили, позволив ЗУ явно указывать свою мощность от 0,5 до 100 Вт — а не выбирать из пяти возможных вариантов.

В 2019 вышел USB-PD 3.0, добавивший управление напряжением с шагом 0,1 В — от 3,3 до 21 В.

В 2021 вышел USB-PD 3.1, добавивший ещё три высоких напряжения — 28, 36 и 48 В. Все они требуют особого кабеля с микросхемой. Для тонкого управления напряжением от 15 до 48 вольт добавили отдельный протокол. Таким образом, мощность увеличилась до 48 В · 5 А = 240 Вт. Уже MacBook 2021 года поддерживал эту версию и выдавал 28 В · 5 А = 140 Вт^[10].

Все версии позволяют одновременно зарядку и передачу данных.

По законам Евросоюза с конца 2024 очень многие классы устройств, заряжающиеся от внешнего блока питания, обязаны поддерживать разъём USB-C и протокол быстрой зарядки USB-PD (если потребление не вписывается в DCP)^[11]. Сделано это для борьбы с электронным мусором (до этого стандартом был порядком устаревший MicroUSB).

Huawei FastCharge (FCP) и SuperCharge (SCP)

Протоколы собственные и за пределами Huawei не встречаются.

Mediatek Pump Express

Поддерживается процессорами Mediatek. Связь идёт от гаджета к ЗУ цифровым кодом частотной модуляцией через линию VCC^[15].

Pump Express 1.0 (2015) поддерживал две команды: «увеличь напряжение» и «уменьши напряжение». Напряжения всего четыре: 5, 7, 9 и 12 В. Методика указания допустимого тока простейшая: зарядка по одному проводу — 3 А, по двум — 5 А.

Pump Express 2.0 (2016) позволяет любое напряжение от 5,5 до 20 В с шагом 0,5 В. С током зарядки всё аналогично. Несмотря на одностороннюю связь, ЗУ способно проверять сопротивление кабеля и компенсировать его — делать так, чтобы на гаджете было именно то напряжение, которое он запросил. У гаджета есть команда «перестань компенсировать сопротивление».

Pump Express 3.0 (2017) уже является надстройкой над USB Power Delivery (связь идёт через линии CC). Имеется прямая зарядка аккумулятора: для снижения нагрева гаджета аккумулятор подключается напрямую к ЗУ, и используется тот контроллер заряда, что в ЗУ. Имеются нераскрытые механизмы контроля сопротивления кабеля^[15].

OPPO VOOC

Используется в брендах OPPO, OnePlus и Realme. Разработан в 2015. Также известен под названиями Warp Charge, Dash Charge, Flash Charge. Полагается на повышенный ток (а не напряжение), использует собственный кабель с дополнительным штырём USB-A/MicroUSB-B^[16], и в версии 4.0 (2019) позволяет 5 В · 6 А = 30 Вт.

Версии под названием SuperVOOC работают с повышенным напряжением: SuperVOOC 1.0 (2018) позволяет 10 В · 5 А = 50 Вт. Смартфон OnePlus 10 Pro использует версию SuperVOOC, передающую 80 Вт^[17]. Чтобы смартфон мог принять подобную мощность, там стоят два параллельных аккумулятора^[18][17].

Многие из смартфонов OPPO поддерживают также USB Power Delivery с меньшими мощностями (порядка 18 Вт)^[18].

Связанные темы

Триггер протокола быстрой зарядки

Триггер протокола быстрой зарядки — кабель с микросхемой, которая эмулирует гаджет. На одном конце USB-вилка, на другом — любой разъём питания.

Если вставить триггер в подходящий USB-порт, микросхема проведёт «рукопожатие» по нужному протоколу и подаст напряжение на противоположный конец. Этот механизм позволяет запитывать от зарядных USB-портов сетевое оборудование (9 или 12 вольт), ноутбуки (15…20 вольт, до 100 ватт).

Триггеры обычно используются для простейших систем аварийного питания. Помимо триггера, есть и другие способы запитать гаджет:

• Инвертор 220 В, затем сетевое ЗУ. Чаще всего используется для мощных гаджетов вроде ноутбуков — но инверторы обычно шумны и КПД меньше.
• Преобразователь 5→X. Универсален (подойдёт любой USB-порт, выдающий достаточный ток), но годится только для небольших нагрузок: даже самые лучшие кабели и разъёмы не проверены больше, чем на 5 В · 5 А = 25 Вт.
• Преобразователь 12→X (или прямое подключение к батарее, если нужны именно 12 вольт). Заманчив, если в системе есть такое напряжение (например, напряжение последовательной батареи).

Кибербезопасность

На 2023 год продаётся хакерский USB-кабель, который встраивает в устройство вредоносную программу, прикидываясь клавиатурой^[19]. До этого утечки Сноудена показали похожий кабель COTTONMOUTH, используемый АНБ. Эти примеры показывают, как опасно подключать USB-периферию неизвестного происхождения.

Но что делать, если заряжаться от чужой USB-станции нужно? Существует несложное устройство, известное как «USB-презерватив», обрезающее линии данных, но оставляющее питание. Этот «презерватив», разумеется, не позволит работать и протоколам быстрой зарядки. Работает DCP, если «презерватив» сам перемкнёт D+ и D− на стороне гаджета; USB-PD, полагающийся на новые провода CC1/CC2.

Подделки и нежелательная функциональность

AliExpress известен большим количеством поддельных устройств — от не соответствующих заявленным характеристикам до откровенно опасных. С быстрыми ЗУ встречается такое:

• Протокол заявлен, но не поддерживается^[20].
• Прописанная в микроконтроллер мощность отличается от реальной^[21]. Встречается редко. На маломощных нагрузках вроде телефонов может работать. Мощная нагрузка наподобие ноутбука или пауэрбанка начинает потреблять максимальный ток и выбивает защиту, ЗУ перезагружается, цикл повторяется сначала.

Не являются фальсификацией, встречаются даже у хороших в целом брендов, и могут стать сюрпризом:

• Заявленная мощность поддерживается только кратковременно и с нагревом ЗУ уменьшается, при этом ЗУ корректно просит снизить потребление, а не уходит в защиту^[20][22].
• Один преобразователь напряжения на все розетки. Подключение к ЗУ двух гаджетов, независимо от поддержки протоколов, отключает быструю зарядку для обоих^[23]. Чтобы этого не было, некоторые ЗУ объявляют одну розетку «быстрой», а на остальные подают 5 вольт от второго преобразователя.

Примечания

Эта страница в последний раз была отредактирована 25 апреля 2024 в 20:01.