深入理解手机快充技术：原理、协议与嵌入式实现
前言
随着智能手机功能的日益强大，电池容量也在不断增加，传统的5V/1A充电方式已经无法满足用户的需求。快充技术应运而生，从18W到如今的240W，充电功率不断突破极限。本文将深入探讨快充技术的工作原理、主流协议标准、芯片选型以及嵌入式代码实现。
一、快充技术基本原理
1.1 功率公式基础
快充的核心原理很简单：P = U × I（功率 = 电压 × 电流）
要提高充电功率，主要有三种方式：
- 高压快充：提高充电电压（如QC快充）
- 大电流快充：提高充电电流（如VOOC闪充）
- 高压大电流：同时提高电压和电流（如小米澎湃秒充）
1.2 充电过程的三个阶段
充电曲线：
电流 || 恒流充电 恒压充电 涓流充电I |————————\| \________| \______|__________________________|___> 时间0% 80% 95% 100%
- 恒流充电阶段（0-80%）：以恒定大电流充电，电压逐渐上升
- 恒压充电阶段（80-95%）：电压恒定，电流逐渐下降
- 涓流充电阶段（95-100%）：小电流充电，保护电池
二、主流快充协议详解
2.1 USB PD (Power Delivery)
USB PD是USB-IF组织制定的官方快充协议，支持最高240W功率。
PD 3.0 固定电压档位：
- 5V（最大3A）
- 9V（最大3A）
- 12V（最大3A/5A）
- 15V（最大3A）
- 20V（最大5A）
PD 3.1 扩展电压档位：
- 28V（最大5A，140W）
- 36V（最大5A，180W）
- 48V（最大5A，240W）
2.2 高通QC (Quick Charge)
QC是高通推出的快充协议，目前已发展到QC5.0。
| 版本 | 最大功率 | 电压范围 | 特点 |
|---|---|---|---|
| QC2.0 | 18W | 5V/9V/12V | 固定电压档位 |
| QC3.0 | 18W | 3.6V-20V | 200mV步进调节 |
| QC4.0/4+ | 27W/100W | 5V-20V | 兼容PD协议 |
| QC5.0 | 100W+ | 3.3V-20V | 支持双路充电 |
2.3 私有协议
- OPPO VOOC/SuperVOOC：低压大电流方案，最高100W
- 小米澎湃秒充：支持120W有线充电
- 华为SuperCharge：支持100W快充
- vivo FlashCharge：支持120W快充
三、快充芯片选型方案
3.1 协议芯片推荐
USB PD控制器
// 推荐型号及特点
1. Cypress CYPD3177- 支持PD3.0，100W功率- 集成ARM Cortex-M0内核- I2C/UART通信接口2. STM32G0系列（带UCPD）- STM32G071/G081内置USB PD PHY- 支持PD3.0协议栈- 性价比高3. 英集芯IP2723T- 支持PD3.0/QC3.0/FCP/AFC等多协议- 集成同步整流控制- 内置8051内核
QC协议芯片
// 推荐型号
1. 汇顶科技GR5526- 支持QC2.0/3.0/4+- 集成高精度ADC- SPI/I2C接口2. 瑞昱RTQ2134- 支持QC3.0/PD3.0双协议- 内置过温保护- TSSOP-16封装
3.2 电源管理芯片
充电管理IC
// 单节锂电池充电管理
1. TI BQ25895- 支持5A快充- I2C可配置- 集成ADC监控2. 南芯SC8551- 支持4.5A充电电流- 双向OTG功能- 高效率同步整流
DC-DC转换器
// 降压转换器推荐
1. TI TPS54560- 输入电压：4.5V-60V- 输出电流：5A- 效率>95%2. MPS MP2315- 支持24V输入- 3A输出电流- COT控制架构
四、嵌入式代码实现
4.1 PD协议握手实现（基于STM32G0）
// PD协议初始化
#include "stm32g0xx_hal.h"
#include "usbpd_core.h"// PD消息结构体
typedef struct {uint16_t header;uint32_t data[7]; // 最多7个数据对象
} PD_Message_t;// 电源能力数据对象（PDO）
typedef union {uint32_t raw;struct {uint32_t max_current_10ma : 10; // 最大电流（10mA为单位）uint32_t voltage_50mv : 10; // 电压（50mV为单位）uint32_t peak_current : 2; // 峰值电流uint32_t reserved : 3;uint32_t dual_role_power : 1; // 双角色电源uint32_t usb_suspend : 1; // USB挂起支持uint32_t unconstrained : 1; // 外部电源uint32_t usb_comm : 1; // USB通信能力uint32_t dual_role_data : 1; // 双角色数据uint32_t type : 2; // PDO类型} fixed;
} PDO_t;// PD协议初始化函数
void PD_Init(void) {// 1. 初始化UCPD外设__HAL_RCC_UCPD1_CLK_ENABLE();// 2. 配置CC引脚GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9; // CC1和CC2GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);// 3. 配置UCPD寄存器UCPD1->CFG1 = UCPD_CFG1_PSC_UCPDCLK_0 | // 预分频器UCPD_CFG1_TRANSWIN_3 | // 传输窗口UCPD_CFG1_RXORDSETEN; // 使能有序集检测// 4. 使能UCPDUCPD1->CR = UCPD_CR_UCPDEN;
}// 发送Source Capabilities消息
void PD_SendSourceCap(void) {PD_Message_t msg;PDO_t pdo[4];// 构建消息头msg.header = (1 << 12) | // 消息ID(1 << 9) | // 端口电源角色(Source)(0 << 8) | // 规范版本(1 << 6) | // 端口数据角色(0x01 << 0); // 消息类型(Source_Capabilities)// PDO1: 5V@3Apdo[0].fixed.voltage_50mv = 100; // 5Vpdo[0].fixed.max_current_10ma = 300; // 3Apdo[0].fixed.type = 0; // Fixed Supply// PDO2: 9V@3Apdo[1]