快充方案TYPEC

关于 USB Type C 技术、应用和产业链的最强解读 什么是 USB Type CUSB Type-C 一种电子设备接口标准，也叫 USB-C，是 USB Type-A/B 的升级版本。2014 年 8 月，USBIF 发布 USB Type-C 接口 1.0 标准，为业界制定了下一代 USB 接口的标准规范。相比于 USB Type A/B，USB Type-C 拥有显著的技术优势，加之产业巨头力挺形成的产业链和生态链，开始逐步统一电子设备接口。USBType-C 接口具有六大优势： 1）全功能：同时支持数据、音频、视频和充电，奠定高速数据、数字音频、高清视频、快速充电、多设备共用基础，一根线可代替以前多根线缆； 2）正反插：与苹果 Lighting 接口类似，端口正面反面相同，支持正反插； 3）双向传输：数据、电力可实现双向传输； 4）向下兼容：通过转接器，能兼容 USB Type A、Micro B 等接口； 5）小尺寸：接口尺寸为 8.3mm X 2.5mm，约为 USB-A 接口 1/3； 6）高速率：兼容 USB 3.1 协议的可支持高达 10Gb/s 数据传输。高速率的数据传输对信号与电源完整性要求更为严格，因此就对线缆企业在生产制作过程中提出了新的要求。为了能同时实现数据、音视频和充电功能合一，USB Type-C 增加了 8 条价格高昂的高频同轴线，这让部分应用的线缆造价比一般类型高数倍。Type-C 不仅在技术上对线缆以及连接器企业提出了要求，同时推动了行业的整合调整，线缆以及连接器企业需要及时在整体技术上得到突破，才能不被淘汰。根据 IHS Technology 的报告预测，USB-Type C 接口使用量最大的市场将集中在智能手机、平板和笔记本电脑上，现在被 USB 覆盖的所有领域都可用 USB-Type C 取代。从产业链自上而下看，USB 协会、标准制定、接口芯片、代工厂和消费终端的业界巨头都不遗余力推进 USB-C 的普及。接口芯片：TI、NXP、Cypress、Analogix 等多家芯片厂商都已发布了多款集高速数据传输、充电和视频于一体的接口芯片。 连接器/线缆厂商：立讯精密作为全球最大的连接器厂商，积极参与到相关标准制定中，并且将是相关设备代工的最重要厂商；鸿海、正崴等连接器巨头也不断布局相关业务。 终端厂商：苹果和谷歌最早在笔记本平板电脑上使用 Type-C 接口，预计后续机型也将开始使用新的接口。Intel 也开始在软硬件两端着手准备用 USB Type-C 取代 3.5mm 模拟音频接口。在数据存储、显示、快速充电、扩展坞等其他应用方面，都已经有很多 USB-C 接口的产品上市。 系统平台：苹果 OS、谷歌 Android 和微软 WP 平台最新版本均原生支持 Type-C。USBType C 的应用方向及市场规模 USB Type-C 是一个大生态，他的出现可以变革很多领域的连接方式，具体分为以下几个方面： 1、平板和轻薄型笔记本是 USB Type-C 的最早应用。 2014 年 USB Type-C 标准推出后，最先在 14 年底应用在 Nokia N1 平板，随后 15 年初在谷歌Chromebook Pixel 上，但真正为大众所熟知，则是借助苹果超薄款 Macbook 的普及。USB Type-C 与轻薄型笔记本完美结合，并且逐渐向普通笔记本和台式机扩散。 2、智能手机是 USB Type-C 最主要的市场和增长驱动力。 2015 以来，Type-C 从最早 4 月份的乐视手机，到 16 年逐渐出现在主流智能手机品牌的高端旗舰机型中，华为 P9 和荣耀 V8、三星 Galaxy Note 7、小米 5、乐视乐 Max、LG G5、魅族、HTC 10 等安卓主力厂商的旗舰机型纷纷使用 USB-C 代替目前的 USB Micro B。从高端到低端逐级渗透，是 Type-C 在智能手机中的发展路线。目前，市场上新发布的主流旗舰机型，已全面开始使用 USB Type-C 接口。 3、数字耳机将是 USB Type-C 在可穿戴应用的突破口。 飞利浦、乐视等厂商已经推出 Type-C 接口的数字耳机。在数字流媒体市场快速发展的环境下，手机端取消 3.5mm 模拟音频接口是大趋势。从高清无损音源到音频处理电路，再到音频输出设备，一场数字音频的变革势在必行。数字耳机、智能耳机将会有巨大的市场空间。 4、USBType-C 将是 VR/AR 设备连接的最终解决方案。 USB-C 集高速数据、快速充电、音视频于一体，最适合 VR/AR 设备高清、大带宽、低延迟和人机交互的VR/AR 需求，将是 VR/AR 设备与 PC 和手机连接的最终解决方案。同时，最新款的平板电视也开始导入全功能 Type-C，实现接口统一。其他，在汽车及泛物联网终端中，Type-C 亦将是重要的接口选择。图 7，USB Type C 的大生态 据 IHS 预测，不考虑线缆等附件，到 2019 年将出货约 20 亿带有 USB-C 接口的设备，CAGR 高达 231%。 电脑及外设 PC 端于 2015 年最先采用 Type-C 方案，包括笔记本、台式机在内的渗透率在 2019 年有望达到 80%； 无线产品 包括智能手机和平板电脑在内的无线产品将于今年开始放量并快速增长，预计到 2019 年渗透率将达到 50%；其他消费电子 平板电视、机顶盒、播放器、AR/VR 等今年开始有 Type-C 接口设备问世，到 2019 年预计渗透率可达到30%。汽车 汽车应用进度稍慢，需要等到 2017 年才会有相关产品问世，并且在 2019 年占据 20%以上市场份额；Type-C 设备和应用场景众多，产品梯队丰富。 其一、现在所有使用 USB 接口的地方都可以使用 Type-C 代替；其二，根据对充电速度、数据传输速度、视频兼容等需求的不一样，连接线/接口解决方案价格区间较大，兼容 USB3.1、PD 和 Display Alt Mode等全协议的解决方案可以是普通 Type-C 的 10 倍；其三，在产品过渡期会有大量的转接线需求，以兼容各类不同格式的老产品；其四，衍生应用多，例如 3.5mm 接口取消后，就会催化智能数字音频市场，并且将来还会增加如 VR/AR 等很多新的应用场景等。此外，Type-C 变革将引发一系列联动需求。例如，3.5mm 模拟音频接口取消后，使用 Type-C 传输数字音频，将有利于防水性设计；同时，主板上音频处理芯片外移，会减少手机 PCB 板面积、成本和功耗，带来外置音频转换附件、数字耳机以及电池容量的增量机会；听音乐时同时无法充电，又会催生无线充电和快速充电的需求。多线合一也给高清显示，VR/AR 的应用带来更广阔空间。我们依据 IHS 对 Type-C 设备的分类，根据最新行业信息对其渗透率预测略作修正，结合目前出厂价格和未来变化趋势，分别对无线设备（手机和平板） 、电脑及外设、消费电子和汽车等应用做出估算。2016到 2020 年，仅考虑接口和线缆部分，USB Type-C 市场规模分别为 32/135/305/502/669 亿元，如果将衍生的数字智能耳机等考虑在内，则总规模将超过千亿。USBType C 将推动快速充电的普及智能手机对于宽带无线通信、图像处理等多方面的需求导致实际耗电呈指数增长。未来 5G 通信带宽将比4G 增加 10 倍，4K/8K 等高清视频技术逐渐应用，CPU、GPU 等运算电路处理能力不断增强，这一切都将导致智能手机整体能耗需求将成指数增长。电池容量呈线性缓慢增长，能耗需求缺口逐渐拉大。电池技术迟迟无法突破，成为终端使用的最大瓶颈。电池容量增长缓慢，每年线性提升约 15%，而能耗则是呈指数增长，能耗需求与电池性能的差距愈发明显。电池性能曲线将与能耗需求曲线严重脱轨，提高充电速度成为电池续航的关键解决方案，快速充电已成为市场竞争热点。因此快速充电技术将成为手机标配。在电池容量无法迅速取得突破，手机用电量又飞速增长的前提下，快速充电技术普及尤为必要。中国信息通信研究院对快速充电的定义是：30 分钟充电进入电池的平均电流大于 3A 或者 30 分钟充电电量大于60%。常见快速充电技术可分为两种： 高压快充：通过提高电源适配器输出电压来提高终端充电功率和速率 低压快充：通过提高电源适配器输出电流来提高终端充电功率和速率 快速充电系统包括快充标准，快充电源适配器，接口 E-marker 芯片，线缆，手机芯片，电池等多个部分。各部分都必须针对不同标准专门设计，才能实现快充功能，并且保证充电安全。 快充适配器 需要专门适配器将交流电降为所用快充协议规定的电压电流，并提供足够安全保证 快充线缆 需要能承载 5A 甚至更高的大电流，并且搭载接口芯片做识别、认证和保护 手机芯片 对电源管理 IC 和处理器提出更高要求，支持在手机软件界面充电类型选择和保护 快充电池 使用专门的快速充电电芯，充电倍率（充电电流/电池电量）至少在 1.5C 以上。目前市场上快充手机电池绝大部分都使用 ATL 电芯。而对于快速充电现状，目前标准众多，亟待统一 （1）市场快速充电标准众多快速充电各家跑马圈地，标准不一。 市场主流快速充电标准有高通 Quick Charge 方案，联发科 Pump Express 和 OPPO VOOC 方案等，华为和三星也有自己的快充方案。（2）低压快充：联发科 PumpExpress3.0 和 OPPO VOOC 联发科 Pump Express3.0 和 OPPO VOOC 采用低压大电流快充方法。 联发科之前发布的 Pump Express 1.0 和 2.0 版本是高压快充路线，从 Pump Express 3.0 开始移到低压快充上来。在低电压下为了达到快速充电需要使用比较大的电流，充电线缆需要经过专门设计以承载大电流。PE3.0 也是市场上首款采用 USB Type-C/PD 接口协议的低压直充方案。OPPO VOOC 则采用恒定5V4/4.5/5A 标准提供高达 2025W 功率。低压快充技术充电效率高达 95%以上。PE3.0 快充方案仅需 20 分钟就能将手机电池从 0 充到 70%。对于同样容量电池，使高通 Quick Charge 3.0 技术的小米 Mi5 需要 40 分钟，没有使用快充技术的 iPhone 6 Plus 需要 1 小时 40 分钟。相比 PE 2.0，PE 3.0 的功耗降低了 50%，效率可提升至 95%。效率大幅提升意味着即使使用大功率充电，充电器和手机发热也极为有限。PE 3.0 快充技术将集成于联发科 Helio P20 及之后版本的处理器中，终端产品将于 2016 年末上市。（3）高压快充：高通 Quick Charge 为代表 高通 QuickCharge 采用高压快充标准。得益于在手机处理器端的统治级地位，目前有超过 100 种智能手机都采用高通 Quick Charge 的方案，现已发展到 QC3.0。QC3.0 采用高压快充技术，通过 3.620V动态可调节电压和最大 3A 电流以实现最大 36 W 充电功率。同时，QC 3.0 采用了最佳电压智慧协商(INOV)技术，可让受电装置自行判断，以最适合的功率级别进行充电，将能源转换效率最大化。QuickCharge 标准兼容 USB Type-C 接口。高压快充的方案使得用普通线缆就可以满足充电要求。但由于充电技术的不同，总体效率和充电速度比联发科的低压快充方案要低一些。Quick Charge 3.0 效率较第二代提升最高达 38%，并有额外的机制用以保护电池寿命周期。此外，若与高通技术公司最新、最先进的并联充电模组同时使用，Quick Charge 3.0 能较第二代提升最高达 27%的快速充电速度，或者减少最高达 45%的功率耗损，且比 Quick Charge 1.0 充电速度快 2 倍。USB PD 将借助 USB Type-C 统一快速充电标准 （1）低压快充技术将成为主流快速充电方式 国产手机增长迅猛，取得话语权。随着华为、OPPO、Vivo 等国产手机厂商在全球份额不断扩大，中国厂商产业链整合能力提升，将可以取得快速充电市场的主导权。相比高压快充方式，低压大电流在实现同样功率下效率更高，充电器和手机发热更少，将占据市场主流。而 USB Type-C 将是 USB PD 最佳选择 USB Power Delivery 是 USB 开发者联盟在智能手机的 USBBatteryCharge 标准之后提出的最新的电力传输标准，目前已发展到 USB PD 3.0 标准，具有以下特点： 充电功率提升，在现有 USB 标准上，提高电力传输能力到 100W； 充电方向灵活，电力传输方向不固定，充电受电设备可以指定； 在多外设之间优化电力传输； 智能充电管理； 允许低功率充电； USBPD 传输电流能力大幅增强。目前主流智能手机使用的充电接口和数据线基于 Micro USB，不能承载过大的电流。USB Type C 接口的触点数量数倍于 Micro USB 接口，这就使得它能承受的电流强度大大增加，适合快速充电技术应用。同时 Type C 接口芯片中加入了互相识别的 E-marker 芯片，可自动识别充受电设备，确保充电安全，并且支持双向充电。图 23.USB 充电标准的发展图 24、USB 充电标准一览 USBType-C 与 USB PD 协议共生，有望统一快速充电标准。USB PD 可兼容 5V/12V/20V 不同充电电压和1.5A/2A/3A/5A 不同充电电流，最大支持高达 100W 充电功率。同时，USB PD 可以将电源线和信号线整合至同一条线缆内。除了能够给手机、平板等移动设备充电外，还可给笔记本等以前无法通过 USB 充电的设备快速充电。USB PD 设定了 10W、18W、36W、60W、100W 五级充电规格，不仅充电功率强悍，更可以实现双向充电。功率提升需要接口芯片保证安全性。 由于 USB Type-C 搭配 USB PD 可实现高达 100W 的充电功率，在高压大电流下，确保安全性尤为重要。USB Type-C 会在设备接口芯片中实现界面、线材、终端设备的交互授权与认证机制，确认终端可接受的电力传输模式。与终端设备互连时，可以由用户决定是否以对应最高功率进行电力传输，增加设备使用安全意识。多家公司都已经发布了不同种类的接口控制芯，有TI、Cypress、Lattice、Analogix、Dialog、Parade，Fairchild，成绎半导体，台湾钰创，VLI，羽博等。Oppo 和华为手机使用 TI 接口芯片做握手通讯和电源管理。在 CES 2016 上，赛普拉斯推出了全球首款双端口 USB Type-C PD 控制器 EZ-PD CCG4。该控制器集成 ARM Cortex-M0 处理器、128KB 闪存、两个供电场效应晶体管和四个为系统提供过压和过流保护的模数转换器，可用于存储双固件映像，从而实现无故障安全引导，提高系统的可靠性。图 26，USB Type C 接口控制芯片图 27，硅谷数模推出 ANX 系列 USB Type C 接口芯片支持多种通讯协议USB Type C 对音频的变革 在开头我们提到，苹果公司在 iPhone 7 中取消 3.5mm 模拟音频接口，直接使用 Lighting 接口传输数字音频是大概率事件。Android 阵营将紧跟苹果的脚步，使用 USB Type-C 接口传输音频。这将直接掀起一场智能手机的接口革命，并且引发一系列创新。 音频系统具有短板效应，为了高保真的重现声音信号，需要同时在音源、音频处理和音频输出端做出改进。数字音频市场的快速发展解决了高清、无损音源的问题，音频处理和音频输出端也需要同步改善。这种情况下，数字音频应潮流而生。安卓苹果两大阵营将使用 Type-C/Lighting 取代 3.5mm 模拟音频接口，数字耳机和音频设备直接受益。首先，3.5mm 模拟音频接口已成手机轻薄化的设计瓶颈 电子设备更轻更薄的需求，以及市场对数字高清音频、高保真（HiFi）音乐的追求，将促使厂商在音频输出端取消已经使用多年的 3.5mm 模拟音频接口，采用数字音频接口。 模拟音频接口属于 TRS 接口家族，本质是同轴电缆传输，常见的三段式接口为 TRS 端子，四段式为 TRRS端子。在接口尺寸方面，1/4 英寸（6.35mm）、1/8 英寸（3.5mm）和 3/32（2.5mm）这三种应用的最多。其中用于高端音响上的 6.35mm 接口从 1878 年开始应用至今，已经有近 130 年的历史。图 28，TRS 音频模拟接口家族 其次，手机内部复杂电磁环境不适合高质量模拟音频处理 音频处理系统可分为音源、音频处理和音频输出三部分： 音源：无损音频将成市场主流 音频处理：编码解码器（Codec）和放大器；Codec 用于提供足够精度和速度的编解码能力，核心是数模转换器；放大器用于将解码后的模拟信号放大到足够功率以驱动输出端不同负载； 音频输出：有线、无线耳机，扬声器、音箱等图 29 音频系统的组成 目前手机和其他电子设备内部处理的都是模拟音频信号，原始音频信号经过内部解码器解码后转为模拟信号，再经过放大或者直接输出到 3.5mm 接口。但是手机内部要同时处理射频、模拟和数字多种信号，电磁环境复杂。音频信号是高精度小信号，很容易受到干扰产生失真，再经过 PCB 板和 3.5mm 接口又会产生功率损耗，最终影响输出音质。图 30，乐视手机采用 Type C 接口传输音频信号第三，苹果和安卓乏力，告别 3.5mm 接口取消 3.5mm 音频接口的实现主要在于将原本位于手机内部的编码解码器和放大器等音频处理芯片转移到Lighting 或者 Type-C 接口、线控或者耳机腔体中。如果直接采用未解码的数字音频信号从数据接口输出，在手机外部完成解码和放大，则可以减少失真，带来较高隔离度。随着集成电路工艺的进步，SoC、SIP技术的发展，音频芯片的面积和功耗不断减小，在技术上也支持将芯片从手机主板移出到耳机中。图 31，数字音频实现方案苹果阵营 CirrusLogic 已为 MFiLighting 耳机提供开发套件。苹果的音频解码芯片独家供应商 Cirrus Logic 已于2016 年 6 月 30 日宣布推出基于苹果官方认证的 MFi 耳机开发套件，协助 OEM 厂商快速开发出 Lighting接口的数字耳机。与 iPhone 6s 相比，新的方案将原来位于手机主板上的音频处理芯片转移到 Lighting接口耳机线控中，在手机中实现全数字音频，有效减少内部信号的干扰和衰减从而提升音质。同时，数字接口赋予音频更多的功能，比如搜集用户听音乐的风格和习惯数据，与 iOS 平台 App 结合，实现数字均衡调音等图 32，CirrusLogic 已为 MFiLighting 耳机提供开发套件数字耳机根据外置音频处理芯片位置的不同，在具体实现上有 4 种方式： Type-C/Lighting 接口：适合较小面积芯片，易于防水设计 耳机线控：Cirrus Logic MFi 方案，可方便与线控功能集成 耳机腔体：适合头戴式耳机，具有较大空间，距离发生单元最近，处理效果最好 音频 Dongle：外置声卡，台式机时代音乐发烧友使用过，Type-C/Lighting 转 3.5mm 附件，很可能作为iPhone 7 随机配件。 安卓阵营 乐视发布 Type-C 数字接口 CDLA 手机。作为 Android 阵营一员，乐视于 2016 年 4 月发布了全球第一款取消 3.5mm 接口，直接使用 Type-C 传输音频的 CDLA 手机。图 33，乐视使用 Type C 接口传输音频第四，产业巨头支持数字音频变革 谷歌：2014 年从安卓 5.0 操作系统开始就支持 USB 音频输出 苹果：预计从 iPhone 7 开始取消 3.5mm 接口，使用 Lighting 和蓝牙直传数字音频 英特尔：2016 年 4 月，Intel 在 IDF 16 信息技术峰会上展示了 USB-C 耳机插孔设计，用于取代传统的3.5mm 耳机插孔，希望通过采用 USB-C 接口促进模拟音频向数字音频的转变Cirrus Logic： 2016 年 6 月 30 日，苹果音频芯