【Maker 電子學】USB 電源供應徹底研究—PART3

Posted By Liang Bird on 7 月 31, 2023 in Maker電子學, USB電源, 教學文, 電子學 | 0 comments

上一回【Maker 電子學】USB 電源供應徹底研究—PART2 我們複習了一個很重要的觀念：「要拿多少電流是由負載決定」，並說明了 Apple 的充電器規格，以及 iPhone 用來辨認充電器能力的方式。

這一回我們要來看看 Apple 以外的陣營如何解決充電器辨認的問題。

不能再大的電流

上一回我們提過，爲了讓手機或是其它透過 USB 界面充電的裝置可以用 500 mA 以上的電流充電，Apple 發展出了用 D+/D- 兩條線上的電壓辨認充電器能力的方式。當手機確認充電器的供電能力，就可以調整自己的負載，對充電器拿取較大的充電電流，用比較快的速度來充電。

（圖片來源：Bird 提供）

在一般的使用情境中，我們會希望手機或是其它裝置能在一小時左右充飽電。這個定義大致上是從鋰電池的容量和充電電流來的。

電池的容量單位是 Ah 或是 mAh，這是一個電流乘上時間的單位，h 代表小時。一個 1000 mAh 的鋰電池，代表如果我們用 1000 mA 的電流對它放電，它可以撐一個小時，這個「可以撐一個小時的放電電流」稱之爲「C」。

如果我們用 2000 mAh 的電流對它放電，我們就可以說我們用「2C」的電流對它放電，理論上用兩倍的電流放電，因爲能量守恆，電池能撐的時間就會變成一半，也就是半個小時，而實際上因爲內阻等其它額外的損耗，能撐的時間會比一半再少一點。如果我們用 500 mA，也就是 0.5 C 的電流對它放電，理論上電池能撐的時間會是兩倍，也就是兩個小時（實際上則會比兩倍再多一點，理由也是因爲內阻等其它額外的損耗在電流較小時相對也會比較小）。

至於充電電流的定義也類似。一個 1000 mAh 的電池如果我們用 1000 mA 的電流對它充電，我們就可以說我們用「1 C」的電流對它充電，但由於鋰電池的特性，當單一電池 cell 的端電壓到達 4.2 V 後，我們只能用 CV 模式對它充電，實際流入電池的電流會隨著電池電量越來越滿而越來越慢，因此如果我們用 1 C 的電流對一個鋰電池充電，我們只能在充電的前段 CC 模式時，達到 1 C 的充電電流；當充電進入 CV 模式時，電流就到不了 1 C，因此我們沒辦法在一個小時內，用 1 C 的充電電流將一個電池充飽。

如果要在一個小時內將一個鋰電池充飽，在充電前段的 CC 模式時，就要用大於 1C 的電流對電池充電，至於鋰電池能不能用大於 1 C 的電流充電或放電，取決於電池本身 cell 的設計。一般的電池如果沒有特別標示，是不能用 1 C 以上的電流充放電的，但經過特殊設計的電池，如一些遙控無人機用的航模電池等，甚至可以用 10 C 或 20 C 以上的大電流充放電。

現在一般的手機電池容量約在 3000 mAh 以上，如果要在一個小時內充飽電，大概要用 1.5 C 左右的電流來充電。1.5 C 就是 4500 mA，或 4.5 A，我們可以來算一下功率。

鋰電池 cell 的端電壓會隨著電量而在 3.3 V - 4.2 V 之間變動，但中間有個高原區大概是 3.6 V - 3.7 V。我們就算它 3.7 V 好了，因此 1.5 C 充電時的功率就是：4.5（A）* 3.7（V）= 16.65（W）。

由於 USB 充電器的輸出是 5 V，而對電池充電所需要的電壓是 3.3 V- 4.2 V，這中間會有一個 buck 降壓電路來轉換電壓。這個電路的效率通常在 90% 以上，也就是說有 10% 的損耗，因此如果要有 16.65 W 的最大充電功率，USB 充電器所需要提供的功率就是：16.65（W）/ 0.9 = 18.5 W。

因爲 USB 的 VBUS 是 5 V，我們就可以算出需要供應這個功率時，電流有多大：I = P / V = 18.5（W）/ 5（V）= 3.7 A

事實上大部分的 USB type A 連接器都無法承受 3.7 A 這麼大的電流。二十多年前，USB 組織在設計這個連接器時，心裡想的可是 500 mA 而已，3.7 A 足足是這個規格的 7 倍以上。

現今大部分的 USB type A 連接器如果沒有特別設計，VBUS 所能耐受的電流大概是 1.5 A。 如果你去 Digi-Key 等電子零件供應網站上查詢 USB type A 插座，就可以看到它們的耐電流：