滿足可攜式裝置電源需求　USB電池充電規範角色關鍵

圖1　可攜式裝置不斷累加各種功能，導致充電需求更加殷切。

為因應市場對USB快速充電的需求，USB應用者論壇(USB-IF)已制定一套新的規範。本文中將討論這項以USB介面為基礎的萬用充電解決方案，以及建置此方案背後的推動因素。

USB電池充電新規範出爐

USB-IF是一個非營利組織，透過由包括史恩希(SMSC)在內等重要半導體廠商的協助，致力於提倡和支援各種USB產品的開發。該組織已經制定一套USB充電規範，最新版本稱為USB-IF電池充電規範1.1(BC 1.1)，同時近期內亦將發布BC 1.2，以作為充電器標準化的基礎。此標準化作業能促成業者共同實現USB充電器檢測生態系統，以為消費者提供更便利的USB充電體驗。隨著此規範的就緒，每種類型充電器的可用電流限額(Available Current Allowance)已定義完備，並能依此來進行設計。舉例來說，在BC 1.1制定之前，任何一個USB埠所能提供的最大可用電流被限制為僅有500毫安培(mA)。現在，BC 1.1定義的USB埠最高可提供1,500毫安培，這是先前USB埠定義的三倍，因此，對終端使用來說，就能以USB纜線實現更快速的充電體驗。

一直以來，USB埠充電只有一種標準定義。展望未來，以BC 1.1定義為基礎，將來共會有三種定義好的USB埠配置以供產品使用，分別是標準下行埠(Standard Downstream Port, SDP)、充電下行埠(Charging Downstream Port, CDP)及專用充電埠(Dedicated Charging Port, DCP)(圖2)。每種埠都能支援不同的充電電流和複雜的USB充電器檢測協定。以下，將探討每種USB充電埠間的差異，以進一步了解它們的功能和使用情況。

圖2　以BC 1.1定義為基礎，將有三種定義好的USB埠配置。

圖3　定義主機和裝置

首先，釐清主機(Host)和裝置(Device)的定義(圖3)。主機USB埠是定義為USB纜線的上行端(Upstream)或「A」接頭，即PC端。而裝置USB埠是定義為USB纜線的下行端(Downstream)或「B」接頭，即行動產品端。

SDP在形式上亦即為傳統/既有的USB埠，通常是PC或USB集線器上的USB主機埠。一旦當主機和裝置間建立USB枚舉(Enumerated)狀態，SDP就僅能提供最高為500毫安培的電流。目前，BC 1.1規範可針對沒電或電池量低而無法進入枚舉列狀態的裝置，提供更快的喚醒狀態支援。在USB規範中，這項條款被稱為「電池沒電條款」，它能讓主機埠提供100毫安培的電源給裝置，直到此裝置的電池充到足以啟動系統單晶片(SoC)的電力，並讓USB收發器進入USB枚舉狀態，再開始以500毫安培的電流充電。在現今的即時行動環境中，快速充電對使用者來說已日益重要。因此，要能從USB主機埠取得更多電流勢在必行，這也促使了CDP定義的出現。

與SDP相同，CDP也是來自PC或USB集線埠。CDP擁有SDP的全部功能，但還能進一步支援最高到1,500毫安培的電流範圍。根據BC 1.1規範所定義D+和D-的USB接腳交握(Handshake)，CDP可據此提供額外的充電電流。在低電壓交握完成之後，可攜式裝置便能從主機埠獲得完整的1,500毫安培電流。最後一個重要的USB埠配置稱為DCP。

圖4　壁式交流電源轉接器

DCP通常是壁式交流電電源轉接器(Wall AC Adaptor)(圖4)，這只是一個可透過USB接頭輸出電源的下行埠，但不具備枚舉功能。未來，DCP的可用電流將會增加到1,500毫安培。DCP需要將D+和D-線路短接一個電阻(RDCH_DAT)，這個在BC規範中已有定義。

表1說明USB-IF電池充電1.1規範所定義的不同USB充電埠及可用電流的優點，以增強使用者的USB充電體驗。

因此，若沒有建置BC 1.1生態系統，使用者只能從PC或集線器USB埠獲得最高500毫安培的電流。現在各類USB充電埠間的差異都已經清楚定義，接著討論推動USB介面充電需求的背後重要因素。

可攜式裝置充電需求日殷

目前市場上有多種不同類型的可攜式裝置，都須要透過USB連接來充電。所有這些裝置的電池大小及電源消耗速率都各有不同，需要有各自的充電電流規格與充電時間需求。例如，一台配備1,540mAh鋰離子電池的智慧型手機，其正常使用時的功耗速度約為每小時190毫安培，也就是大概有8小時的電池使用時間。根據這樣的功耗與電池容量，在使用1天後勢必須要快速進行充電。同樣地，若有一台內建6,600mAh容量電池的平板電腦，一次充電大概只能支持約10～12小時的正常使用時間。因此，必須清楚知道對這些容量較大的電池進行充電須花費多久的時間。

資料來源：史恩希整理 圖5　USB-IF定義的充電速率

充電時間與許多因素有關，包括電池化學類型、效率損失、充電曲線、放電狀態、溫度，以及先前所討論的，不同的充電埠類型也會有不同的可用充電電流。在BC 1.1定義的USB充電埠中，其可用電流會是傳統/既有USB埠的三倍，因此能縮短可攜式裝置的電池充電時間(圖5)。

因此，當比較這些可用充電電流時，就會了解要在USB產品應用中採用USB-IF電池充電解決方案的動機是非常顯而易見的。為了要協助建置與推廣USB電池充電標準和計畫，現已有一些組織與規範開始著手進行。

萬用電池充電計畫眾所期待

為了要讓USB電池充電成為業界標準，歐洲的全球行動通訊系統協會(GSMA)已制定萬用充電解決方案(UCS)計畫，其中說明如何藉此減少因為行動裝置充電器缺乏標準所造成的廢棄物，以及為USB接頭定義一套標準充電解決方案。此外，中國大陸的信息產業部(MII)也在2006年12月發行的「行動電信終端設備的充電器和介面技術需求與測試方法」(YD/T 1591-2006)出版品中，公布原始的USB充電器介面標準。這兩份文件都同樣聚焦於USB充電埠標準化與廢棄物減量的議題。為了進一步說明，以下將討論GSMA最近公布的計畫以及對BC 1.1規範的重視。

透過結合行動產品業者的力量，GSMA代表著全球行動通訊產業的共同利益。在2010年3月，GSMA發布一篇標題為「萬用充電解決方案白皮書--消費者意識計畫1.0」的白皮書，指出消費者意識的抬頭可協助推動UCS的開展，以便能以更環保的方式為行動裝置充電。

UCS知道，傳統上消費者每次購買新的行動裝置時，都預期會獲得新的充電器，但仍對未來規畫出一個新的願景，亦即希望透過USB連接實現萬用充電器設計，讓新舊行動裝置間的充電器能夠重複使用。對消費者來說，它的效益不僅在於毋須再帶多個充電器出門，還能重複利用其既有的充電器為未來新買的行動裝置充電。

如此一來，若以每年行動電話出貨量中有五成為換機的比例來計算，可為環境減少重複使用數億個充電器。假設平均每個充電器的重量為0.4磅(0.18公斤)，所有未使用充電器所造成的廢棄物重量就遠超過10萬噸。最重要的是，製造、包裝及運輸等充電器的成本也能因而顯著減少。

UCS還進一步在白皮書中發布共用電源供應(CPS)定義。圖6為以USB連接為基礎的充電解決方案。UCS計畫參照USB-IF電池充電規格1.1，作為全球USB充電器檢測協定與標準的一部分。此外，UCS也參考USB-IF規範中所有的其他重點，包括纜線、接頭及相容性定義。藉由引用與確認USB-IF規範，GSMA已為整套萬用電池充電解決方案建立穩固的基礎。除了引用USB充電標準外，GSMA UCS計畫中的主要工作是要讓大眾了解萬用充電器所帶來的環保效益。

圖6　以USB連接為基礎的充電解決方案

USB電池充電的未來可期

現今，可攜式消費電子市場仍持續演化，智慧型手機、平板裝置等多種產品不斷地推陳出新。這些產品都有一個共通點，就是需要更多的電源，以及希望能有以USB接頭為基礎的萬用充電解決方案。

GSMA、MII和USB-IF已為USB萬用充電解決方案奠定良好基礎，現在將是可攜式消費電子產品製造商運用此一方案的最佳時機。製造商將不必再為每台可攜式產品配備一個充電器，同時使用者也能享有利用一條USB纜線或單一個壁式轉接器就能為不同產品充電的便利性。

不管是USB主機端或USB裝置，史恩希都可提供支援USB電池充電規格的各種產品。史恩希的RapidCharge Anywhere生態系統建置，可讓傳統解決方案的USB埠，支援更廣泛的可用充電電流，並能讓消費電子產品支援USB-IF電池充電1.1規範。

史恩希發布的多款新產品，包括裝置端的USB333x/USB334x USB收發器系列產品，以及主機端的USB251xB集線器控制器系列產品，都能讓使用者擁有電池充電檢測功能，並能以標準USB連接得到更高的可用充電電流，以獲得快速充電的最佳體驗。

(本文作者為史恩希消費電子解決方案部門的產品行銷經理)