作者：Bird
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：
（圖片來源：Bird 提供）
我們可以根據電阻分壓的公式算出來 D+ 和 D- 上的電壓：
VD+ = 5 * 49.9 /（75.0 + 49.9）~ 2V
VD- = 5 * 49.9 / （43.2 + 49.9）~ 2.7V
如果 iPhone 在連接到 USB port 但是沒有發生 USB 裝置的 enumeration（表示它不是連接到電腦的 USB port），而又偵測到 D+/D- 的電壓符合上面描述的狀況，它就認爲它連接到的是原廠的 5 V/1 A 充電器，而會將自己的充電電流調到 1 A，向 VBUS 抽取 1 A 的電流。
2014 年 iPhone 6 Plus 上市時，由於電池容量高達 2915 mAh，如果用 5 V/1 A 也就是 5 W 的充電器充電，要超過兩個小時才能充飽，因此雖然 iPhone 6 Plus 的包裝裡面雖然附的仍然是 5 V/1 A 的充電器，但手機卻偷偷加上了更快速的 5 V/2.1 A 以及 5 V/2.4 A 充電協定。你可以跟 Apple 另外購買更大顆的 5 V/2.1 A 或是 5 V/2.4 A 12W 充電器，就可以用更快的速度充電。
5 V/2.1 A 的 Apple 原廠充電器中，D+/D- 上的電阻是這樣接的：
（圖片來源：Bird 提供）
它跟 5 V/1 A 充電器上 D+/D- 的電壓剛好反過來。
至於 5 V/2.4 A 的 Apple 原廠充電器中，D+/D- 上的電阻是這樣接的：
（圖片來源：Bird 提供）
此時 D+ 和 D- 的電壓都差不多在 2.7 V 左右。因此，只要 iPhone 6 Plus（以及後續的機種）在插上 USB 電源時，偵測到 D+/D- 的電壓都是 2.7 V，它就會認爲它連接到的是原廠 12 W 的充電器，而向充電器抽取最大 2.4 A 的電流來充電。
整理一下這三種 Apple 充電器的規格：
（圖片來源：Bird 提供）
早期這種利用 D+/D- 上的電壓辨認充電器種類以及輸出能力的方式，其實沒有標準，各家手機品牌都是各做各的，因此如果你拿了一個別的廠牌的 5 V/2.1 A USB 充電器來接 iPhone，它的 D+/D- 上的電壓可能與 Apple 的 10 W 充電器不同，iPhone 在辨認充電器時不會認爲這是一個可以供應 2.1 A 電流的充電器，只會用最保守的 500 mA 電流慢慢充電。
小結 #
這一回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。由於這些規格沒有統一，常常導致不同廠牌的手機、充電器之間沒辦法啟動快充，而只能用最基本的 500 mA 來充電甚至不肯充電。
下一回我們要繼續介紹另一個稍微統一一點的快速充電陣營，以及它們的設計。
（責任編輯：賴佩萱）
