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手机快充对数据线有什么要求?
发布时间:2021-08-25

       近年来,智能手机的快充技术发展越来越快,功率从5W提升到240W不过短短几年时间,可谓是进展神速,随之而来的问题就是数据线应该选择几安电流来满足充电头快充的要求,如何设计线缆规格成为线缆工程师需要了解的部分,今天我们聊聊,手机快充对数据线有什么要求?



手机,充电器头,数据线


      手机想要实现快充,数据线和充电头都需要进行适配,此外还需要正确的快充协议,三者是相辅相成的关系,缺一不可。如果使用高功率的充电头,但数据线却达不到快充标准,或者充电头和数据线的快充协议不匹配,都是无法达到快充标准。数据线相当于是充电的辅助功率,数据线里面的铜芯AWG数必须要支持大电流,这就和快充数据线和普通家用电线的区别,快充线可以同时使用于普通充电器和快充大电流充电器,相反,你用快充充电头,拿普通家用电线,由于传输电流达不到要求,充电头会自动转换成低功率充电器,线材本身只管电流不管电压的。现在的快充基本原理都是三方识别对接,电源、充电线、手机之间相互识别,有一个识别不上就采用一般的5v2a充电,避免安全事故发生。

       目前市面上的大功率pd充电设备基本都支持多协议充电,快充协议和充电器有关,必须手机、充电器都支持某种协议才能快充,某些协议对数据线也有要求关于Type-c线材,Type-c接口默认一般是3A电流,如果采用pd、qc协议,一般不用特殊线材,基本都可以符合充电要求(pd电流超过3A需要带e-mark线材,不过手机领域一般不需要考虑),pd和qc的关系:pd3.0(支持pps)和qc4+互相兼容,qc4+向下兼容之前的qc协议,但pd不一定支持qc3.0及以前协议;pd、qc4+用于通信的触点是type-c接口独有的。

如上图所示,用的是A5或者B5传输协议(取决于type-c接口插的是哪一面)别的接口没有这两个触点,要想知道手机或充电头支持什么协议,最靠谱的还是去手机官方网站上去查,对手机来说,小米一般和qc兼容,27w用某些大功率qc3.0充电器也可以,但还是建议用qc4+或pd3.0 pps。华为支持18w fcp、22.5w scp、40w scp,手机一般会向下兼容,但充电器最好同规格的,苹果支持apple2.4A(iPad同款充电协议)和18w pd充电。


手机数据线如何设计


一般正规手机数据线厂商都是采用增大截面积的方式来弥补长度所带来的线阻,但这样得做法往往会大幅度增加线材的成本,因此这些更长也更粗数据线往往也会卖得更贵。不过也有部分产品在增加长度的同时并不改变线材的截面积,如果使用长度过长的线材充电效率会低一些。此外长度和截面积都相等线材也不见得线阻会相同,线材使用的是何种材料也是很关键的因素。目前数据线里面普遍都采用铜丝导体线材,有部分高端产品可能会使用镀银线甚至是纯银线来降低电阻,但也有部分低端线材会采用铝材质,铝材质的导电率不差,但相比铜是要低很多,但对于长度很短的数据线来说可能影响不大,我们把如何选择对应铜丝和电流的例子给大家分享,之前发布的需要很有耐心,这次搞一个整给小白的版本:

      基本素材准备,先拿出USB Type-C 的规范,没有找线缆客服要,按照USB Type-C Spec1.2版本的规范定义,USB Type-C 的Vbus压降范围小于500mV,GND压降范围小于250mV成品回路=500mV+250mV

成品 R电阻=U电压750mV/电流0.5A,得到的结果就是1.2 ohms/m.

Vbus=U电压 500m/I电流0.5A,得到的结果是:1 ohms/m

GND R电阻=U电压250mV/I电流0.5A,得到的结果是:0.5 ohms/m.


然后我们用24AWG最常用的导体AWG数进行换算分析:

24AWG铜丝,UL1581里面有规定直流电阻值为94.2Ω/KM&20°C

USB Type-C连接器自身的阻值,包括公母对插阻值及焊接产生的阻值,我们一般按照0.1-0.15Ω(如果带转接板+0.05Ω来计算,接下来我们看按照上面的计算公式来计算,当客户成品0.8米的USB Type-C,导体用24AWG,并符合协会规范,看能否满足客户要求。

94.2Ω/KM=0.0942Ω/M)

20°C测试环境下:0.0942Ω/M*0.8M*2C+0.15Ω/M(连接器自身阻值合计)=0.3004Ω

参照协会规范标准:

Vbus R电阻=U电压 500m/I电流0.5A,得到的结果是:1 ohms/m

GND R电阻=U电压250mV/I电流0.5A,得到的结果是:0.5 ohms/m.

现在我们设定要求过电流3A,20°C同等测试环境下,此条电线的压降值如下:R电阻=U电压/I电流

U=R*I=0.3004Ω*3A=0.9012V

综合以上,5V,3A条件下,24AWG&0.8米的压降值没有达到协会要求的0.75V以下,故不能使用

22AWG铜丝,UL1581里面有规定直流电阻值为59.4Ω/KM&20°C

现在我们设定要求过电流3A,20°C同等测试环境下,此条电线的压降值如下:R电阻=U电压/I电流

U=R*I=0.245Ω*3A=0.7350V

综合以上,5V,3A条件下,22AWG0.8米的压降值达到协会要求0.75V以下,故可以选用

以上这些是理论的计算方法,会和实际有些公差,实际按照自己的实测进行判定和应用,目前得到的经验是实测的数据会比理论计算的要小一些,师傅领进门,修行靠个人,自己去验证比较吧!


为什么压降对充电效率有明显影响?


      压降就是指线材两端的电压差,例如线材的输入端接上了一个5V的电源,但是在输出端只检测到4.8V的电压,那这条线材的压降就是0.2V。那么压降是怎么产生的呢?实际上我们数据线所用的材料虽然是良好的电导体,但是其终归不是超导体,内部是存在电阻的,因此当我们用数据线把充电器和手机连起来后,就相当于在一个电路中串联了一个电阻,而充电回路形成后,数据线中就会有电流通过,有电阻和电流的存在,线材两端自然就会产生电压,而这个电压的值就是压降值。

       支持5A电流的线材,如果通过3A电流时压降仅为0.3V,相当于0.9W损耗

那为什么说压降会是一个判断充电效率的关键词呢?那是因为在充电过程中,终端设备的输入电压都是经过数据线“压降”处理的,举一个简单的例子,当充电器输出电压为5V,充电回路电流为2A的时候,使用压降为0.2V的数据线意味着终端设备的输入电压为4.8V,总输入功率为9.6W;而使用压降达到0.4V的数据线时,则就意味着终端设备的输入功率只有2A*4.6V=9.2W了,线材带来了额外的0.4W损耗。输入功率越低意味着充电速度越慢,这就是线材的压降能影响着充电效率的主要原因,也是衡量充电效率的主要方式之一。

       USB Type-C电缆在协会的规范里面也已经建立啦相关的长度设计参考,USB2.0规范的电缆长度小于4米,USB3.2 Gen1的长度小于2米,USB3.2 Gen2的电缆长度小于1米。



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