作者：Bird
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：
（圖片來源：Bird 提供）
大部分 type A 連接器的耐電流都是 1.5 A，有些經過特殊設計的 type A 插座可以到 3 A，而另外有一些更稀少的品項可以到 5 A，不過要用 USB type A 連接器過這麼大電流的前提是，插座能耐這麼大電流，兩者必須要互相配合；如果你用一個耐 5 A 的插座搭配一個只耐 1.5 A 的插頭，硬是要過 5 A 的電流，一定會出事，出什麼事呢？常見的問題就是接點會發熱，當發熱太多時就有可能熔燬接頭的塑膠部分，甚至起火燃燒。
我們上一回講過，蘋果的 USB type A 充電器，最大的充電功率是 12 W，電流是 2.4 A，它用的就是可以耐 2.4 A 以上 的 USB 連接器。
如果我們要滿足上面計算的 16.65 W 充電功率，就需要 5 V/3.7 A 的充電電流，這時就會需要用到至少耐 3.7 A 的 USB 連接器，而且插座和插頭都需要，缺一不可，但耐電流這麼大的 USB 連接器其實選擇並不多，價格也很貴，更重要的是它插座與插頭的連接必須要非常準確；如果使用者沒有將插頭確實插好，有可能造成接點的電阻偏大而發熱造成危險。
因此，即使我們買得到可以耐 5 A 的 USB 連接器，要在這樣的連接器上通過這麼大的電流並不是一個好主意。
加大電壓？ #
於是就有人把腦筋動到 VBUS 的電壓上了。
誰說 VBUS 一定要是 5 V 呢？如果充電的時候 VBUS 的電壓可以高一點，在同樣的電流下就可以輸送更大的功率，充電的速度不就變快了嗎？
因此手機晶片供應商 Qualcomm 就提出了一個手機的快速充電標準，在適當的辨認程序下，可以將 VBUS 上的電壓提高到 9 V、12 V 甚至更高的電壓，以便在不增加電流的前提下提高充電功率。
但這個辨認的程序必須很嚴謹，因爲自 USB 誕生以來，VBUS 就是 5 V，因此世界上絕大多數的 USB 裝置都認爲 VBUS 就是 5 V +/- 5%，他們並不能接受超過 5 V 以上的電源輸入。
因此這個辨認的程序會變成這樣：當裝置插上充電器時，充電器先送出 5 V 的 VBUS 電壓，裝置靠著這個電壓開始與充電器通訊，並向充電器表明自己可以接受 5 V 以上的電壓；當充電器確認裝置可以接受 5 V 以上的電壓後，就可以將 VBUS 的電壓切換到比 5 V 更高的電壓，比方說 9 V、12 V，開始進行更大功率的充電；如果插進充電器的裝置不支援 5 V 以上的電壓，它就不會與充電器進行這個通訊與辨認的動作，這時充電器就不會有額外的動作，只會持續送出標準的 5 V 電壓。
Qualcomm 提出的這個可調電壓的充電標準稱之爲 Quick Charge，簡稱 QC；於此同時，USB 組織也提出了類似的機制，稱之爲 USB Battery Charging （BC），兩者的規格甚至有部分相同。
小結 #
這一回我們用電池容量與充電電流計算了手機電池要在一小時內充飽所需要的充電功率，以及在 USB 上的充電電流，也說明了 Quick Charge 這樣的充電標準如何利用調高 VBUS 電壓，來提高充電功率。
下一回，我們要繼續說明 QC 或是 USB BC 這樣的可調電壓 USB充電標準，如何利用 D+/D- 兩條線，來讓充電器和裝置彼此了解對方的能力和需求，來達到最大的充電功率。
（責任編輯：賴佩萱）
