快充方案.docx

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快充方案

文件编号：

2020年4月

快充方案

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A

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1

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1.0

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关于USBTypeC技术、应用和产业链的最强解读

什么是USBTypeC

USBType-C一种电子设备接口标准，也叫USB-C，是USBType-A/B的升级版本。

2014年8月，USBIF发布USBType-C接口标准，为业界制定了下一代USB接口的标准规范。

相比于USBTypeA/B，USBType-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USBTypeA、MicroB等接口；5）小尺寸：

接口尺寸为X，约为USB-A接口1/3；6）高速率：

兼容USB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，USBType-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IHSTechnology的报告预测，USB-TypeC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-TypeC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USBType-C取代模拟音频接口。

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。

USBTypeC的应用方向及市场规模USBType-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USBType-C的最早应用。

2014年USBType-C标准推出后，最先在14年底应用在NokiaN1平板，随后15年初在谷歌ChromebookPixel上，但真正为大众所熟知，则是借助苹果超薄款Macbook的普及。

USBType-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USBType-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GalaxyNote7、小米5、乐视乐Max、LGG5、魅族、HTC10等安卓主力厂商的旗舰机型纷纷使用USB-C代替目前的USBMicroB。

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USBType-C接口。

3、数字耳机将是USBType-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，USBTypeC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、PD和DisplayAltMode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，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，USBType-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。

USBTypeC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QuickCharge方案，联发科PumpExpress和OPPOVOOC方案等，华为和三星也有自己的快充方案。

（2）低压快充：

联发科和OPPOVOOC联发科Pump和OPPOVOOC采用低压大电流快充方法。

联发科之前发布的PumpExpress和版本是高压快充路线，从PumpExpress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。

也是市场上首款采用USBType-C/PD接口协议的低压直充方案。

OPPOVOOC则采用恒定5V@4/5A标准提供高达20~25W功率。

低压快充技术充电效率高达95%以上。

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QuickCharge技术的小米Mi5需要40分钟，没有使用快充技术的iPhone6Plus需要1小时40分钟。

相比PE，PE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快充技术将集成于联发科HelioP20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QuickCharge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QuickCharge的方案，现已发展到。

采用高压快充技术，通过~20V动态可调节电压和最大3A电流以实现最大36W充电功率。

同时，QC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USBType-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。

QuickCharge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，QuickCharge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QuickCharge充电速度快2倍。

USBPD将借助USBType-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USBType-C将是USBPD最佳选择USBPowerDelivery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USBPD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MicroUSB，不能承载过大的电流。

USBTypeC接口的触点数量数倍于MicroUSB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TypeC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。

图充电标准的发展

图24、USB充电标准一览USBType-C与USBPD协议共生，有望统一快速充电标准。

USBPD可兼容5V/12V/20V不同充电电压和2A/3A/5A不同充电电流，最大支持高达100W充电功率。

同时，USBPD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。

USBPD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USBType-C搭配USBPD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。

USBType-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CES2016上，赛普拉斯推出了全球首款双端口USBType-CPD控制器EZ-PDCCG4。

该控制器集成ARMCortex-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，USBTypeC接口控制芯片

图27，硅谷数模推出ANX系列USBTypeC接口芯片支持多种通讯协议

USBTypeC对音频的变革 

在开头我们提到，苹果公司在iPhone7中取消模拟音频接口，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USBType-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取代模拟音频接口，数字耳机和音频设备直接受益。

首先，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（）、1/8英寸（）和3/32（）这三种应用的最多。

其中用于高端音响上的接口从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TypeC接口传输音频信号

第三，苹果和安卓乏力，告别接口

 取消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CirrusLogic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iPhone6s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：

CirrusLogicMFi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转附件，很可能作为iPhone7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接口，直接使用Type-C传输音频的CDLA手机。

图33，乐视使用TypeC接口传输音频

第四，产业巨头支持数字音频变革谷歌：

2014年从安卓操作系统开始就支持USB音频输出苹果：

预计从iPhone7开始取消接口，使用Lighting和蓝牙直传数字音频英特尔：

2016年4月，Intel在IDF16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

CirrusLogic：

2016年6月30日，苹果音频芯片供应商CirrusLogic发布MFiLighting耳机开发套件Conexant：

2016年6月29日发布业内第一款USBType-C单芯片音频解决方案CX20888，并且带主动降噪功能，为5mmx5mmx81PinBGA封装。

图34，Intel推动音频从模拟向数字转型 

USBTypeC带来便捷的高清视频一体化方案

USBType-C可同时兼容等多种视频标准。

USBType-C通过交替模式（AlternateMode）提供兼容DisplayPort、SuperMHL、HDMI、VGA等信号的功能。

英特尔在第三代Thunderbolt接口标准中全面兼容USBType-C，可实现双4k视频传输，传送速率高达40Gbps。

图35，TypeC对Displayport和Thunderbolt的兼容

显示器，平板电视到VR/AR是Type-C在视频应用的渗透路线。

USBType-C在显示方面的渗透已经从LCD显示器开始，并且逐步向平板电视和其他显示设备推进。

宏碁已经推出了业内首款Type-C显示器R1，集视频和充电于一身，厚度仅7mm。

华硕也推出了使用UBSType-C的便携式显示器MB169C+。

图36，三种不同显示接口的参数对比

USBType-C将成为VR/AR与主机连接的主流技术

轻便性是VR/AR头戴式设备的重要需求。

Oculus和HTCVive使用三至四根线缆连接PC和VR设备，严重影响用户体验。

LG360VR只需一根USBType-C线缆，就可实现所有功能，让使用更轻巧，更便携。

除了减少连接，高分辨率和刷新率也是VR进一步的发展趋势，Type-C支持高清视屏传输，DisplayPortAltMode有高达20Gbps的带宽，使得在低功耗的前提下，可以支持全高清、3D、4K超高清和全屏幕输出，以及更高的分辨率和刷新率。

VR/AR设备使用的Type-C线缆都是全功能高品质线缆，同时集成快充和音视频功能，代表了消费电子的最高要求，成本将是一般手机线缆的数倍。