Протоколы быстрой зарядки — методика передачи повышенных мощностей через стандартный разъём USB. Для включения протокола, устройства должны пройти процедуру «рукопожатия», и потому предназначены в первую очередь для зарядки устройств персональной электроники — смартфонов, планшетов, цифровых фотоаппаратов и ноутбуков.
Начальный алгоритм протокола следующий: зарядное устройство (ЗУ) подаёт на порт 5 Вольт, а устройство — расходует из порта не более 100 мА. Чтобы зарядка стала быстрой, ЗУ и подключенное устройство должны оговорить подъём передаваемой мощности: Устройство разрешает ЗУ поднять напряжение порта сверх штатного; ЗУ сообщает устройству, 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.
Большинство протоколов быстрой зарядки использует линии D+ и D− не по назначению, и потому не может совмещать передачу и мощности, и данных. По той же причине кабель с поврежденными проводами D+ и D− годен лишь для зарядки маломощных устройств.
Технология быстрой зарядки не ограничивается одними протоколами. Но именно протоколы разделили мир на множество несовместимых лагерей, в связи с этим многие из «универсальных» пауэрбанков Xiaomi/Baseus поддерживают Power Delivery, Quick Charge и его расширения, также Baseus Amblight 30000mAh 65W 6A — PD3.0 + QC3.0 // 2022-11-30. И только один из старых протоколов — порт зарядки (выделенный порт для зарядки) — поддерживается почти всеми.
По законам Евросоюза с конца 2024 очень многие классы гаджетов, заряжающиеся от внешнего блока питания, обязаны поддерживать разъём USB-C и протокол быстрой зарядки USB Power Delivery (если потребление не вписывается в DCP). До этого стандартом был порядком устаревший MicroUSB, а протоколы не оговаривались.
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.
Компьютерный порт USB 2.0 (в терминологии USB-зарядки Standard downstream port, SDP) может выдавать гарантированно (например, от хаба без питания) и максимально . 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 имеющийся в гаджете контроллер заряда сам 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 , 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 простейшее ЗУ на 5 вольт — 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 плотно упакованного 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 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. Гаджету доступны (в версии USB Battery Charging 1.2, 2010 год).
Некоторые гаджеты брали и больший ток, это надо только знать — и подключать DCP-ЗУ, допускающее этот ток. Максимальный ток ограничен 5 амперами — на большее не рассчитаны даже лучшие разъёмы — и ЗУ имеет право уходить в защиту, чтобы сберечь собственные схемы.
DCP поддерживали устройства Nokia, Fly, Philips, LG
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.
Процедура зарядки через DCP и CDP такая. Если гаджет полностью разряжен (в стандарте — dead battery), он может заряжаться током , пока не сможет включиться. В смартфонах это правило игнорируется и зарядка начинается с 500 мА. Гаджет производит «рукопожатие», посылая тестовые напряжения 0,6 В на D+ и D−. После этого гаджет может брать с порта ток для SDP, для остальных. Если гаджет обнаружил SDP/CDP и желает обмениваться с ним данными, 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 только на SDP снизить ток до . Токи от 100 до с SDP можно брать только после перечисления оконечных точек и конфигурирования порта. Если опознан порт USB3 — до можно брать «без спроса», — после конфигурирования. 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».
DCP-подобные кодировки портов Отдельные производители начали делать собственные схемы портов, напоминающие DCP. Гаджеты, не обнаруживавшие «своей» кодировки, или заряжались меньшим током по стандарту USB, или вообще не заряжались. Существуют три основных схемы таких кодировок: 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 , 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. Изначально ЗУ замыкает линии D+ и D−, представляясь портом DCP. Гаджет ставит на D+ напряжение 0,6 В, стандартное напряжение для опознания DCP/CDP, и держит его несколько секунд — «я поддерживаю Quick Charge». Спустя 1,25 секунды ЗУ разъединяет D+ и D−, закорачивая D− на землю через 20-кОм’ный резистор — «я тоже поддерживаю Quick Charge». Гаджет устанавливает пару напряжений на D+ и D−, указывая желаемое напряжение питания. D+ D− VCC 0,6 В 0 В 5 В 0 В 0,6 В 5 В 3,3 В 0,6 В 9 В 0,6 В 0,6 В 12 В 3,3 В 3,3 В 20 В (но согласен и на 12) 0,6 В 3,3 В Регулируемое согласно QC 3.0 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. 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 (USB PD) 1.0 был предложен в 2012 году, вместе с появлением USB 3.0, раньше Quick Charge 1.0. 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 (USB-C). 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 . Не путать с триггером протокола — кабель снабжён идентифицирующей микросхемой, говорящей гаджету, что доступен повышенный ток. Если микросхемы нет — .
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: Заряжать хост (устройство, ведущее протокол USB — например, планшет) от периферии (подключаемых устройств — например, док-станции с клавиатурой); 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 . Уже MacBook 2021 года поддерживал эту версию и выдавал .
Все версии позволяют одновременно зарядку и передачу данных.
Huawei FastCharge (FCP) и SuperCharge (SCP) + Протоколы быстрой зарядки Huawei Название Мощность Появился Символ Примечания Fast Charge Mate 8 (2015) Две молнии, большая и маленькая Наиболее распространённый SuperCharge Mate 9 (2016) Две одинаковых молнии Снижает нагрев гаджета по сравнению с зарядкой большим напряжением 40W SuperCharge Mate 20 Pro (2018) Молния с двумя зигзагами 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 питания (VCC).
Pump Express 1.0 (2015) поддерживал две команды: «увеличь напряжение» и «уменьши напряжение». Напряжений 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) поддерживает 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.
OPPO VOOC