【Maker 電子學】USB 電源供應徹底研究—PART2

Posted By Liang Bird on 7 月 17, 2023 in Maker電子學, USB電源, 教學文 | 0 comments

上一回【Maker電子學】USB 電源供應徹底研究—PART1，我們簡單聊了 USB 界面當初設計時，加上供電功能所帶來的好處，也回顧了在沒有 USB 之前的一些古老界面如 RS-232C 上「偷電」的方法。

這一回我們要來看看，在 4-pin 的 USB type A 接頭上，有哪些供電標準。

從 500 mA 開始

上一回我們提過，最早的 USB 界面所設計的供電能力是 5 V/500 mA，但如果是電腦上的 USB port，並不是你想拿 500 mA 就可以拿 500 mA。在 USB 裝置插到電腦上、辨認及列舉（enumerate）完成之前，其實最大只能拿 100mA，如果你要向電腦或是 hub 拿超過 100 mA 以上的電流，一定要完成裝置的列舉，並透過 USB 裝置的 descriptor 表明自己需要 500 mA 的供電能力。

iPhone 在 2007 年問世，初代的 iPhone 搭配的是一個 5 V/1 A 的 USB 充電器，而手機端則是一個現在已經看不到的 Apple 30-pin 連接器，盒子裡還附贈一條 30-pin 對 USB type-A 的充電兼傳輸線。

當我們把 iPhone 插到電腦上時，由於電腦的 USB 界面只能供應 500 mA，所以 iPhone 當然最大也只能從 USB 拿取 500 mA 的電流，但當我們把 iPhone 插到 Apple 附的充電器上時，由於充電器可以供應 1 A 的電流，這時 iPhone 就可以抽取 1 A 的電流，用比較快的速度充電。

這邊有一個很重要的觀念需要先說明一下。

要拿多少電流是由負載決定

對，這是電路學中很基本的一個原理。充電器是一個電壓源，而手機就像一個電阻性的負載。如果畫成電路圖就像這樣：

（圖片來源：Bird 提供）

這裡一樣遵循電子學中可以解決 70% 以上問題的歐姆定律：V = IR，或者也可以寫成 I = V/R。

由於初代的 USB 充電器，輸出電壓都是固定 5 V+/5%，因此上面那個歐姆定律的公式中，V 就固定是 5 V 了。這時，會從充電器流出多少電流，然後流進手機，就是由手機這邊的負載 R 決定的。

一個 5 V/1 A 的充電器，它其實是一個「最大可以輸出 1 A 電流的 5 V 電壓源」，並不是說它時時刻刻都要輸出 1 A，它會輸出多少電流是由負載的 R 決定的。當負載是 7 ohm 時，充電器輸出的電流就會是：

5（V）/ 7（ohm）= 0.714（A）

負載多大，是由手機決定的。當手機想要用 500 mA 充電時，它就讓自己的輸入負載變成 10 ohm，這時充電電流就是：

5（V）/ 10（ohm）= 0.5（A）

當手機想要用 1 A 充電時，它就讓自己的輸入負載變成 5 ohm，這時充電電流就會變成：

5（V）/ 5（ohm）= 1（A）

所以不要再相信什麼「用 3 A 的充電器充 1 A 的手機會燒壞手機」這種謠言了，今天就算你拿可以輸出 5 V/1000 A 的點焊機來充 1 A 的手機，只要它的電壓是穩定的 5 V，它還是只會照著手機的負載輸出 1 A 的電流。

只要電壓正確，沒有充電器燒壞手機這回事。倒是反過來，如果負載電流不對，手機倒是有可能燒壞充電器。

怎麼說呢？

假設今天我們用一個 5 V/0.5 A 的充電器來充手機，但是手機不管三七二十一想要用 1 A 的電流來充，而把自己的負載電阻變成 5 ohm，這個時候對充充電器來說，就是過載（overloading），因爲這個充電器最大只能輸出 0.5 A 的電流，但是我們用比 10 ohm 還要小的負載電阻來企圖向它抽取超過 0.5 A 的電流。

這時候充電器會怎麼反應呢？ 常見的情況是壓降，就是充電器會降低輸出的電壓，在負載電阻不變的狀況下，如果充電器的電壓降低，輸出電流就會變小，變小到充電器可以負荷的程度。除此之外，還有一些充電器會設計更聰明的保護電路，比方說直接停止輸出（也就是輸出電壓降到 0），隔一小段時間再重新啟動，或是要拔掉 AC 輸入再重插才會再重新啟動。

不管是降壓還是斷電，這些設計都是要保護充電器，避免充電器在設計規格以外的負載狀況下工作。

充電器的設計規格中，常見的功率限制會來自轉換效率與熱消耗（thermal dissipation）。比方說今天有一個 5 V/1 A 的充電器，它接受 110 V AC 的輸入，我們讓它滿載輸出，轉換效率是 90%，這時它就需要：

5 W / 90% = 5.55 W

的輸入功率。這個 5.55 W 就來自 110 V AC 的輸入，我們還可以算出 AC 輸入需要的電流：

I = P / V = 5.55（W）/ 110（V）= 0.05（A）

但能量守恆，我們給它 5.55 W 的輸入，但是它只輸出 5 W 的 5 V 電功率，剩下的 0.55 W 去哪裡了呢？

變成熱了。

這些額外消耗的功率可能是肇因於充電器中開關電晶體的開關損失（switching loss），因此電晶體會發熱；也有可能來自變壓器線圈上的銅損、鐵損，因此變壓器會發熱；還有濾波電容的 ESR 也會導致電容器在反覆充放電時發熱... 因此這些額外的能量除了極少部分可能會變成電磁波發射出來之外，絕大多數都變成熱。

當我們強迫充電器工作在比它的設計功率更大的功率下時，效率只會更差，因此發出來的熱就會更多。當這些熱量多到讓零件無法承受時，就會造成永久性的損壞。

身份辨識

因此，當手機插到 USB 充電器上時，手機必須有個方法知道它所連接的 USB 充電器到底是傳統的、只能供應 500 mA 的 USB，還是跟著手機來，可以供應 1 A 電流的充電器。這個動作叫做充電器識別（charger identification），在確定充電器的供電能力之後，手機才能調整自己的負載，抽取適當的電流。

在 iPhone 的充電器上，這件事是利用接在 D+/D- 上的四個分壓電阻來達成的。

在 iPhone 原廠的 5 V/1 A 充電器中，USB 的 D+ 和 D- 兩隻腳上有四個分壓電阻是這樣接的：