USB充电和“智能”充电端口（例如Anker的PowerIQ）如何工作？

具有对EE的业余爱好的软件工程师。

最近，我注意到USB电池组生产商声称其端口“很聪明”并“识别设备”以“为设备提供最大电流”。粗略地看这件事似乎意味着这不是完全的营销语言，实际上正在发生一些更复杂的事情。

我不了解锂离子电池的微妙化学性质或充电控制器的性质，我猜想对电池尽快充电，会消耗尽可能多的电流，仅将其限制为电池规格。事实并非如此，因为据记载，在某些情况下，设备肯定会将其充电量限制在1A以内。为什么是这样？

如果如此控制电流消耗，那么这些智能端口又将如何运作以使设备吸收更多电流？他们在Anker电池的产品页面上声称其端口可以识别设备并“说出其独特的充电语言”（这种措辞让我感到恶心）。也许我不应该对这样的措辞如此苛刻-USB数据线实际上是用来协商某种充电方式的吗？

谢谢！

USB规范有两个附加功能，可提供超过500mA的电流。

USB电池充电规范1.1。允许高达1.3A的电流。

USB电池充电规范1.2（及此）。允许高达5A的电流。

摘要：

• USB 2.0-BCS 1.1：1.3A电流，无数据传输。
• USB 2.0-BCS 1.2：5A电流，带数据。
• USB 3.0-BCS 1.2：处理电流为5A，但电流限制为1.5A，无数据。

在这里可以找到更多

编辑：有时制造商不遵循标准，而是使用专有的东西。有时，“某些专有技术”只是让数据引脚悬空或以某个电压悬挂，然后提供任意数量的电流...

实际上，“智能”充电器使用一种称为专用充电端口控制器的特殊芯片。DCP控制器可以像不同的充电器一样工作，并选择最有效的模式。

这是因为常规（“哑”）壁式充电器使用USB的数据连接以静态，模拟方式发出信号，以显示其功能。“智能”充电器可以执行相同的操作，但以一种不太静态的方式进行：它们观察充电设备的行为，并从中扣除理想的设置，然后再进行仿真。

专用充电端口控制器芯片的例子有德州仪器（TI）TPS2510系列“ USB充电端口控制器”，Maxim MAX14600系列“ USB主机充电器识别/适配器仿真器”和Norelsys NS3601 “ USB快速充电端口控制器”。

TPS2513a数据表中的图像（版权为TI）：

同样，MAX14600（版权Maxim）：

您可以看到USB数据线（“ DP”和“ DM”）上有多个可配置的资源，并且这些资源由某些“智能”逻辑控制。

一些解释

不同的可充电设备需要不同种类的充电器。部分原因是USB规范最初并未指定“充电”行为，部分原因是一些制造商希望其设备仅在自己的壁式插头上以最快的速度充电。此外，设备消耗的电流可能不会超过其允许的水平，以免导致设计不正确的电源过热的风险。

注意：以下说明忽略了USB3，USB Power Delivery和Qualcomm Quick Charge技术，这些技术使事情变得更加复杂（例如，它们支持将电压提高到5 V以上）。

可以区分以下类型的USB插座：

• 常规USB端口（如在PC上）。这称为SDP（标准下游端口）。SDP可提供高达100 mA的电流，如果所连接的设备很好地要求它，并且 USB主机同意这是可能的并且允许的话，则可以将该极限提高到500mA 。
  • 实际上，即使没有适当的通信，几乎所有SDP都能提供500mA的电流。小风扇和保温杯加热器等USB设备无法通信，但仍需要100mA以上的电流。
• 具有通讯功能和附加充电功能的USB端口。这称为CDP：收费下游端口。这个可以提供高达1500mA的电流。非通信下游设备可以通过将USB数据线D +和D-连接到电阻或短路来告知充电器。
• 中国电信行业标准YD / T 1591-2009早于并启发了CDP规范。它指定D +和D-之间的短路。
• 没有通讯功能的USB端口（例如墙上的插头）。这称为DCP：专用充电端口。基本上，它是CDP，没有与USB主机（PC）进行通讯的手段。
• 不符合DCP规范的DCP端口（来自USB电池充电分隔版本1.2）。这些壁式插头的电阻设置与数据线的连接方式各不相同，从而导致固定电压可以被充电设备读取。“可识别”电压的列表很长，这只是摘录：
  • 苹果0.5A（D +在2V，D- @ 2V）
  • 苹果1A（2V / -2.8V）
  • 苹果2.1A（2.7V / 2.0V）
  • 苹果2.4 A（2.7V / 2.0V）
  • 索尼（3.3V / 3.3V）
  • 许多（包括三星）2A（1.2V / 1.2V）

“智能”充电器（即其中的“ DCP控制器芯片”）可以模拟具有可变电阻值的标准DCP端口，并且还可以模拟几种非标准DCP电压。

秘制酱

芯片制造商并没有真正描述其“检测”逻辑的工作原理，但他们唯一的选择是监视充电设备在D +和D-线上的运行情况，并查看所消耗的电流。

无疑，这需要进行大量的反复试验研究，并且该算法可能被保守为秘密。

可能使用的一种技术是在仿真状态之间循环并注意所消耗的电流量。因此，具有最大电流消耗的状态是“最佳”并保持活动状态。

边注

不要被充电器制造商的营销所迷惑，后者声称充电器“ 可以为设备提供最大电流”。USB插座是电压源。它仅控制电压，而充电设备则“决定” 充电时“吸收”多少电流。

因此，充电器无法将电流“强加”到不接受该电流的设备中，至少不能保持在最大安全5.1伏以下。

唯一发生的事情是使充电设备相信它已连接到其可以想象的最强大，最适合，最兼容的充电器的一些技巧。

其他连结

• https://zh.wikipedia.org/wiki/USB
• http://lygte-info.dk/info/USBinfo%20UK.html
• http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps2514a-q1.pdf
• https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX14600-MAX14618.pdf
• http://www.norelsys.com/cn/chanpinzhongxin/SMARTPOWER/2015/0601/123.html

我也只是一名软件工程师，但是我的部分工作涉及阅读USB规范文档。这是我所知道的：

USB供电有两种官方协议。第一个是BCD，于2007年发布，并于2010年进行了更新。它使用各种数据线技巧来确定允许下游设备消耗多少功率。这不必是完整的USB握手。例如，专用充电器仅通过将D +与D-短路来识别。这表明下游设备可以吸收最大充电电流，我认为这是1.5A。您可以在此处阅读BCD规范。

较新的协议是PD（电源传输），它是主要USB规范的一部分分发。PD真的很有趣。它允许通过电压线而不是数据线交换功率信息，并且可以支持高达100W（20V / 5A）。但是，在高功率应用中，需要对电缆进行电子标记，以表明电缆可以支持高压/大电流而不会熔化。:-)规范中定义了几个“标记”，但它们似乎都涉及在插头的两个引脚之间插入电阻或电容。

也就是说，任何电缆或充电器正确实施整个规格的可能性似乎都很低。您可以在Amazon.com上关注梁锦松（Benson Leung）的漏洞，以了解制造商发现了多少方法来解决此问题。

我不确定，但是我认为像“ PowerIQ”这样的市场标签很可能表明充电器试图与尽可能多的设备和电缆兼容，包括那些非标准的设备和电缆。不幸的是，没有很好的方法来告诉任何特定的充电器离理想状态有多近。

（旧主题，但基于最新USB规范的新信息。）

如前所述，如果设备要求，新的USB规范确实允许高于5V的充电电压。

在“ USB Power Delivery”（PD）扩展名（USB PD修订版3.0，现在为Ver 1.0a）下，可以为连接的设备提供最高5A的5V，9V，15V或20V电压。 100W源。对于这些情况，“请求设备”必须遵循许多规则。

这通常适用于笔记本计算机或其他具有更高电池数量和/或工作电压的设备。还必须设计和指定电缆以应对这些情况。

（是的，我是EE ...超过35年）

我对此种语言感到恶心，但是，我同意这件事背后可能有一些道理。USB设备根据供应商，产品和设备ID声明自己，以便主机可以识别所连接的内容并进行相应的处理（例如：找到合适的驱动程序）。此外，我不是电池专家，但我足够了解锂离子电池有一些奇怪的充电要求，以避免过热。考虑到USB产品可以与定制的驱动程序或产品的另一端接口，可以认为USB产品可以协商出最佳的充电方式，如此处所述。

我见过的一个锂离子充电模式的例子是恒定电流，直到电池电压达到4.0V，然后是恒定电压，直到电池达到4.2V。也许不同的电池有不同的模式（同样，我不是电池专家）。

[...]实际上发生了一些更复杂的事情。

是。简而言之，智能端口使用非标准充电机制来实现最佳电流。所有USB设备仅基于USB规范或BCS扩展名建立其充电协议的普遍假设是错误的。

许多USB充电器仅具有BCS描述的“哑”浮动数据引脚端口，也称为DCP，专用充电端口。

在不支持USB / BC规范或最佳USB / BC规范的情况下，智能端口可以像哑端口（DCP）一样，也可以模拟多个专有端口。这种仿真在某些情况下可能会崩溃，并引起问题，这就是每个智能充电器品牌都试图在可靠性，速度和兼容性方面进行区分的原因。制作它们可能涉及一些逆向工程。

理想情况下，不需要“智能”充电器，并且所有设备都将使用相同的充电标准。如果它不是主机/充电器，它会识别设备可能：

• 慢慢充电
• 完全不收费。
• 以标准USB规范（非BCS）速度充电（即，对于全功率USB设备为5个电源单元，对于低功率为1个，非枚举仅电源连接为5个）。这通常比最大速度慢。
• 以BCS速度充电，则它们可以从DCP汲取多达5A的电流。尽管我从未见过为单个端口发布超过3A的广告。这可能仍然比使用自己的充电器慢。

这些智能端口正在发生什么，以使设备能够吸收更多电流？实际使用USB数据线协商某种充电方式吗？

Kinda，取决于您要查看的充电规格。我相信Apple使用数据线，但是没有什么复杂的事情发生，它们只是设置为3V表示它是Apple充电器。

DCP不是BCS描述的唯一充电端口。一些（很少）设备更喜欢要求枚举（即，使用数据引脚握手），因此需要CDP（下游充电端口），因为它除了充电外还允许数据传输，因此更加复杂。我想一个完全兼容BCS的端口，即可以在CDP和DCP之间切换的端口，即使它不模仿任何其他技术，也可以被认为是“智能”的。

我想，要尽快给电池充电，您将消耗尽可能多的电流，当然，它们可以消耗更多的电流。为什么是这样？。

正确，但前提是充电器符合其规格，否则我猜他们只是不信任它。也许这与竞争和专利或优化电池寿命的算法有关。我认为如何比为什么更有趣。

我也不是EE。（也是一名软件工程师，具有对电子技术的深入了解。）

据我了解，惯例是正常的USB设备最大消耗500 mA电流，仅此而已。任何其他事情都违反了USB标准。

“智能” USB充电器包括带有串行通信芯片的固态逻辑。当您插入需要更高电流的设备时，它会向电源发送查询，提示“我想要2安培。可以吗？”。如果电源是转储USB端口，则它根本无法应答，因此设备要么不工作，要么仅消耗默认的500 mA（充电速度要慢得多）。

我有三星S5手机和Note 10.1（2014版）。我有一个嵌入式USB仪表，可以测量电压，电流和maH。将这些设备中的一个连接到OEM充电器时，充电器输出将升至5.5伏，充电电流约为1.6安。如果我使用额定电流为1安培的便宜壁式电源适配器尝试此操作，则电压将保持在5.0且充电至0.8安培。我也有几个电池供电的充电器。它们中的大多数虽然额定为2安培或更高，但仅提供5.0伏特，充电电流保持在0.8安培左右。由此得出的结论是，三星协议旨在使设备通过上述方法之一请求快速充电，并且充电器通过将其输出提高到5.5伏来发出信号，表明它能够进行快速充电。