一、USB接口协议

1、USB是什么？

USB是由世界著名计算机和通信公司等共同推出的新一代接口标准，全称为Universal Serial Bus（通用串行总线），是一种快速、灵活的总线接口。它是为了解决日益增加的PC外设与有限的主板插槽和端口之间的矛盾而制定的一种串行通信标准。
USB一般分为USB低速，USB全速，USB高速和USB超高速,其分别对应于USB1.0,USB1.1,USB2.0和USB3.0,而USB3.0又分了GEN1,GEN2等。最新一代是USB4，传输速度为40Gbit/s，三段式电压5V/12V/20V，最大供电100W ，新型Type C接口允许正反盲插。
USB 接口具有以下几个关键特点和作用：

1. 通用性：几乎适用于各种类型的外部设备，无论是输入设备（如键盘、鼠标）、存储设备（如 U 盘、移动硬盘），还是输出设备（如打印机、显示器）等。
   例如，您可以使用同一个 USB 接口连接不同品牌的鼠标和键盘，都能正常工作。
2. 热插拔功能：允许在计算机运行状态下随时插入或拔出设备，而不会对计算机或设备造成损害。
   比如，您在电脑开机状态下拔出 U 盘，通常不会导致数据丢失或系统故障。
3. 便捷性：USB 接口体积小，易于使用和携带。
4. 高速传输：随着技术的发展，USB 的传输速度不断提高，从最初的低速版本到现在的高速版本，能够快速传输大量的数据。就像用 USB 3.0 接口传输一部高清电影，所需时间相比早期版本大大缩短。
5. 供电能力：某些 USB 接口还可以为连接的设备提供电力，例如为手机充电。

2、USB协议发展

USB接口自1994年推出以来，经过26年的发展，经过USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.x，最终发展到了现在的USB4；传输速率也从最开始的1.5Mbps，大幅提高到了最新的40Gbps。

（1）USB 1.0、USB 1.1

1996年，正式发布了第一代USB 1.0，传输速度仅为低速1.5Mbps（低速），最大的特点是支持热插拔，即插即用；如今这个USB 1.0已经成为了历史。
1998年，USB 1.1发布；虽然与 USB 1.0 的数据传输能力相当，但它也可以适应低带宽设备，以较慢的速度运行。苹果公司的 iMac G3 采用了被称为全速的 USB 1.1，并停止使用串行和并行端口，这一动作让 USB 1.1 闻名业界。这为此后 USB 标准的普及铺平了道路。USB 1.0 和 USB 1.1 还规定了实体 USB 连接器的使用标准，即 A 型和 B 型。

（2）USB 2.0

2000年，USB 2.0发布，最高传输速度提到了全速480Mbps（高速）；但由于受到总线的限制，度降至 280 Mbps。USB 2.0 采用了高速这一名称，并兼容以前的标准且传输速度为 1.5 Mbps 或 12 Mbps。此时，将 USB 用作电源开已始成为更常见的做法，其电气标准是 5V 电压下提供高达 500 mA 的电流。
USB 2.0 还引入了 USB On-the-Go 技术，它实现了两个设备间的互动，而不需要单独的 USB 主机。至此，USB 连接总出现在主机（计算机）和外围设备（鼠标、键盘、音乐设备等）之间。
在实体连接器标准方面，USB 2.0 与 USB Type A、B 和 C 连接器以及 Mini 和 Micro A 和 B 兼容。

Mini-B 用在早期的MP4、手机上，比较厚。

Micro-B，用在后来的安卓手机上，要薄一些了。

（3）USB 3.0、 USB 3.1

2008年，USB 3.0发布，传输提高到5Gbps（超速）；但实际达到的速度更接近于 3 Gbps。USB 3.0 被称为 SuperSpeedUSB，将 USB 2.0 硬件的四条连接线增加到八条，并允许数据双向传输，同时向后兼容 USB 2.0。该标准还将电源能力提高到 5 V 900 mA。此外还需注意的是，如 USB 3.0 A 型和 B 型连接器等特定型 USB 3.0 硬件用蓝色来表示其兼容性。
以前的USB 3.0改名为USB 3.1 Gen 1又称为第一代USB 3.1，新发布的USB 3.1改名为USB 3.1 Gen 2又称为第二代USB 3.1。因此前面提到的USB 3.0消失在了历史的长河里；

由于Micro-B升级后多出来一截，在寸土寸金的手机上格外致命，只有三星一款手机用过一次，之后就没有手机用了，现在更多用在移动硬盘等对空间要求不高的应用上。
2013年，USB 3.1发布，传输速度达到了10Gbps；该标准的名称为 SuperSpeed+，并一度采用了两级命名规则：USB 3.1 Gen 1 (USB 3.0) 和 USB 3.1 Gen 2。同样，随着 USB 3.2 命名规则的引入，USB 3.1 Gen 2 现被称为 USB 3.2 Gen 2。

（4）USB 3.2

2017 年 ，推出的 USB 3.2 标准取代了 USB 3.0 和 3.1 标准的命名规则，同时增加了第三级数据能力，最高可达 20 Gbps。该标准被称为 USB 3.2 Gen 2x2，它充分利用了USB Type-C连接器的双通道数据传输通道，可以在两个线对的每个方向上都达到 10 Gbps 传输速度。我们还经常看到 USB 3.2 标准下的两个低级标准被列为 USB 3.2 Gen 1x1 或 USB 3.2 Gen 2x1，这只是为所使用的数据线数量增加了背景。
USB 3.2规范的主要特征包括：

• 为新的USB 3.2主机和设备定义了多通道操作，允许最多两个10 Gbps操作通道，以实现20 Gbps的数据传输速率，而不会牺牲电缆长度
• 提供引人注目的性能提升，以满足苛刻的USB存储、显示和对接应用的要求
• 继续使用现有的USB物理层数据速率和编码技术
• 对集线器规格进行了小幅更新，以解决性能提高的问题，并确保单车道和双车道运行之间的无缝过渡
• 改进的数据编码可实现更高效的数据传输，从而提高吞吐量和I/O能效
• 向后兼容所有现有的USB产品;将以最低的通用速度运
  为了进一步阐明，USB-IF 已经为每个低级标准更新了名称，其名称由已熟知的 SuperSpeed USB 名称后加数据传输极限速度构成。如下表 1 所示，这些替代名称如下：SuperSpeed USB 5 Gbps、SuperSpeed USB 10 Gbps 和 SuperSpeed USB 20 Gbps。
  

（5）USB4

2019年，基于 Thunderbolt 3 协议的 USB4发布；数据传输速度高达 40Gbps 并具有专门的视频传输方法。Power Delivery 3.1 标准还将 USB 的电源能力提高到 240 W。虽然从技术上讲，Power Delivery 标准和 USB 4.0 是分开的，但它们平行发展且经常同时出现。这两种最新标准只有通过实体 USB Type C 连接器的硬件功能才能得以充分利用。
USB4规范的主要特征包括：

• 增强型连接器和电缆。具有USB TYPE-C的主要功能，SB4较小，可正反接入，更容易插入。
• Thunderbolt3兼容性。在以前的USB标准中，还没有与Thunderbolt 3兼容。2017年，英特尔将Thunderbolt 3的规格捐赠给USB-IF，供第三方使用。有了Thunderbolt支持，就可以使用外设、外部连接的GPU，以及到更传统的外设（如存储和显示器）的高吞吐量、低延迟连接。
• 速度。USB4的速度是最新版本usb3.2的两倍，最高可达20gbps，传输速度可达40gb/s。USB推广集团首席执行官布拉德•桑德斯（Brad Saunders）表示，最新版本的无处不在的连接器将提供三种速度：10 Gbps、20 Gbps和40 Gbps。
• 支持USB PD。USB4最大的特点是支持USB电源传输（USB PD），因为并不是所有的USB-C设备都支持它。USB PD支持高达100瓦的电力传输。新的USB4将其每一个设备和主机符合USB PD标准，这对您的设备是伟大的-更快的充电和更好的电池寿命。手机和笔记本电脑的充电功率高达100W，而耳机等低功耗设备的涓流充电率则要低得多。
• 更好的资源配置。USB4完美地调整了通过同一连接发送视频和数据的可用资源量，没有降低速度的机会。
• 向后兼容旧设备。最新版本的USB可用于配备USB 3和USB 2的设备和使用软件狗的端口。

3、USB物理形态：接口

下图即为为各个版本协议时对应的物理形态：接口；

（1）Type-A

Type-A 2.0发展至Type-A 3.0；

（2）Type-B

Type-B 2.0发展至Type-B 3.0；

（3）Mini USB

Mini USB发展演化有Mini A、MiniB以及MiniAB；

（4）Micro USB

Micro USB是Mini USB的一代产物，主要有Micro A、MicroB以及Mini-AB；其中Micro-B 3.0在USB 3.0标准发布后，Micro-B接口也有了新的造型，支持USB 3.0的移动硬盘盒大多数就采用了这个接口；

（5） USB Type-C

①、24pin(满pin)

较高配置数码产品（如高端游戏本)上，值得一提的是，目前支持USB3.1及以上接口协议的USB-C接口基本都会满PIN配置，尤其是支持Thunderbolt4(雷电4协议)接口的数码电器产品。
满PIN的USB-C接口就一定能用到他的所有功能吗？
不一定，有两种情况可能用不到全功能，种是商家生产的满PN接口只是外观这样，内部并没有连接对应功能的线芯；还一种情况是接口连接的设备使用场景不支持或者用不到它的所有功能。

②、16pin

目前最主流的USB-C插口，目前广泛应用于各类Type-C线材、各类充电设备的USB-C插口、普通配置的数码电器USB-C插口上等其他USB-C插口。由于目前很多普通电子设备内置MCU都不支
持USB3.0,只支持USB2.0,那么使用24Pin的USB-C很浪费，于是就有了16Pin的USB-C。
除了没有USB3.0/3.1高速传输外，其他和24pin无二致，同样支持PD快充、音频设备、HDMI传输、调试模式等功能。

③、12pin

我们所说的16Pin和12 Pin USB Type-C其实是同一种接口。16Pi一般为接口厂家、封装的正式名称，而日常生活中习惯称呼为12Pin。这是因为接口设计时，将TypeC母座两端的两个Vbus和GND出线都并拢了起来，虽然从口那里看是16条出线，但座子后面的焊盘只有12个。

④、6pin

6 PINUSB-C接口常常配置于一些玩具、牙刷等简单电器上，产品定位上没有USB通信的需求，只需要USB取电充电。于是6 Pin TypeC就产生了。
6 Pin TypeC仅仅保留Vbus、GND、CCl.CC2。接口两侧对称分布着两组GND、VbUS,使得防反插功能保留，粗线也让其更为方便的传输大电流。

（6）Thunderbolt

Thunderbolt又称为雷电或者雷霆，是英特尔公司发布的一套链接标准，从Thunderbolt3开始改用USB Type-C接口，在USB-C接口边上会有个闪电的标志；

二、 USB-IF充电标准

USB接头默认提供一组5伏特的电压，可作为相连接USB设备的电源。实际上，设备接收到的电源可能会低于5V，只略高于4V。通过USB PD3.0、QC4等快速充电协议，现有USB接口的最大的可以达到20V，最低3V。
从最早基于USB2.0的USB电池规范BC1.0，该USB接口最大可提供5Vx500mA=2.5W的电源供率，到USB3.0时，这个电流最大提高到了900mA,所以最大功率得到了4.5W,而到了USB BC1.2这个最大电流提高到了1.5A,所以其最大功率达到了7.5W,而且定义了不同的电源类型如SDP， CDP以及DCP。而随着TYPE-C接口智能手机，平板电脑和笔记本电脑的普及，7.5W的功率不能再满足发展，USBIF组织一口气将USB的快速充电供电提高到了100w(20V,5A),这也就诞生了USB PD技术.

1、Battery Charging

• USB Battery Charging Rev.1.0 2007-03-08,Max：7.5W（5V，1.5A）
• USB Battery Charging Rev.1.1 2007-04-15,Max：7.5W（5V，1.5A）
• USB Battery Charging Rev.1.2 2010-04-15,Max：7.5W（5V，1.5A）

2、USB PD

USB技术自发布已来，得到了很大的发展，并且由于USB自速电源供电（VBUS),使得有很多的小型设备开始使用USB接口进行供电，所以市面上也出现了五花八门的USB充电技术。随着USB3.0规范和TYPE-C接口的发布，在原来USB规范技术的基础上，USBIF组织为适应USB快充技术的发展和统一，发布了USB快速充电规范。在该规范的约束下，使得各大厂商的USB快速充电技术的兼容性得到了统一，而在快充领域内，基于TYPE-C接口的PD技术也变地越来越重要。

USB PD发展经历了PD1.0，PD2.0，到目前最新的PD3.1，从功率方面来看，也是不断质的飞跃；

（1）USB PD 1.0

2012年发布USB PD 1.0，可以使用5V、12V和20V电压充电，最高的功率达到100W。支持以下的功率配置：10W——5V 2A，18W——12V 1.5A，36W——12V 3A，60W——12V 5A、20V 3A，100W——20V 5A；当年USB-IF组织号称在该协议的加持下，能让USB-A和USB-B型号接口实现可达100W供电能力。但是USB-A和USB-B型号接口没办法做到，最终也导致了USB PD 1.0一直没能够实现商业化；

（2）USB PD 2.0

2014年USB Type-C型接口的出现，2014年USB-IF组织才顺势发布了USB PD2.0充电协议USB PD 2.0,改成了使用USB 3.1标准的USB Type-C接口；

（3）USB PD 3.0

2015年发布USB PD3.0,加APPS (Programmable Power Supply)兼容各家快充协议，2017年USB-F将PPS快速充电添加到USB PD3.0标准中，为快速充电设备创建了一个统一的解决方案。PPS和PD协议可以无缝协作。PPS允许在充电器和设备之间重新协商非标准电流和电压。
2017年2月还推出了USB PD3.0协议的"补丁"，名为“PPS"(Programmable Power Supply,可编程电源)的重要更新，通过更精准的电压调幅能力适配更多类型的设备并提升安全性。
私有协议即在PPS下出现。加入可编程电源供应后面也诞生了高通QC3.0/QC4.0，华为FCP/SCP，MKT PE2.0/PE3.0以及OPPO VOOC的公开协议和私有协议。

（4）USB PD 3.1

2021年USB-IF协会推出了USB Type-C线缆和接口标准V2.1版本，其中更新了有关供电能力的章节。USB PD3.I规范将原来的USB PD3.O内容归到标准功率范围(Standard Power Range,简称SPR)里面，
最大功率保持100W不变；同时增加了扩展功率范围(Extended Power Range,简称EPR)最大功率由100W扩展到240W。
在USB PD3.1标准下，USB Type-C线缆分20V等级的普通线缆和50V等级的EPR线缆两种规格。超过100W的功率输出，不仅需要使用EPR(扩展功率)的5A线缆，而且还必须在Source,Sink和Cable之间通
过EPR特定信息握手才能由SPR进入到EPR;如果线缆是固定在充电器上的Captive cable,则只需Source和Sink之间握手即可。
由于电压等级大幅度调高，所以安全问题非常重要，EPR对连接器和线缆等的安规提出更高的要
求。需要重点关注EC62368关于限功率电源(Limited Power Supply,简称LPS)的规定。
2021年5月25日，电信终端产业协会发布了融合快充标准《移动终端融合快速充电技术规范》。UFCS快充规范正式发布，该标准旨在解决目前市面上快充标准复杂多变、互不兼容的问题。以下为国际最主流的快充协议USB PD进行各项指标的比对。

3、USB Type-c

USB Type-C接口默认充电能力（无协议下）

• USB Type-C Rev.1.0,2014-08-11，Max：15W（5V,3A）New Connector and cable specification；
• USB Type-C Rev.1.1,2015-04-03，Max：15W（5V,3A）；
• USB Type-C Rev.1.2,2016-03-25，Max：15W（5V,3A）；
• USB Type-C Rev.1.3,2017-07-14，Max：15W（5V,3A）；
• USB Type-C Rev.1.4,2019-03-29，Max：15W（5V,3A）；
• USB Type-C Rev.2.0,2019-08-29，Max：15W（5V,3A）；
• USB Type-C Rev.2.1,2014-05-25，Max：15W（5V,3A）Enabling USB4 over USB Type-C connectors and cables；

三、基于USB的充电协议

1、公开协议

（1）PD

PD:Power Deliveryt协议。USB PD是由USB-lF(USB Implementers Forum)组织制定的一种快速充电规范，是目前主流的快充协议之一。USB PD快充协议是以USB Type-C物理接口输出的，但不能说有USB Type-C接口就一定支持USB PD协议快充。
Type-C接口默认最大支持I5W(5V/3A),但是在实现了USB-PD协议以后，能够使输出功率最大支持到100W(20V/5A)或更大。所以现在许多实用Type-C接口的设备都会支持USB PD协议。USB-F于2021年发布了最新的USB PD3.1标准，该标准理论上可以支持最高240W的充电功率。
PD协议于2012年发布，该协议是通过USB电缆和连接器增加电力输送，扩展USB应用中的电缆总线供电能力。PD协议可以实现高压低电流或低压高电流的充电方式，并且可以实现双向充电。

（2）QC

QC:Quick Charge是高通公司专有的电池快充协议.2013年高通发布了QC1.0,当时过5VW2A的充电器把充电功率提高到了10W,比传统5V小A的充电头提高了一倍。该协议支持USB-type A、USB-micro B,USB-type C接口作为充电接口。QC5.0协议正式将100W快充普及化，采用双冲，三冲技术极大的提升了设备充电功率。
如今步入QC5.0的时代，一个100W的QC5.0充电就能为几乎所有支持QC和PD协议的设备进行快速充电。相较PD协议，QC协议在电子设备充电温度管理和充电电路保护上有更多的优势，而PD协议则在数据传输，一线多用方面胜出。随后经历了QC2.0,QC30,QC4.0,到今天已经是QC5.0了。QC5.0支持100W快充，并且兼容PD协议，

（3）PE

PE协议由联发科推出，全称为Pump Express,其特点是允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压，PE2.0PE3.O。

2、私有协议

（1）AFC

AFC则是三星推出的用于自家的快充标准被叫做自适应快速充电(Adaptive Fast Charging),电压电流为l2V/2.lA、9V1.67A、5.OV/2.0A。

（2）FCP、SCP

华为的快充协议分为FCP(Fast Charge Protocol)和SCP(Super Charge Protocol),前者在早期用的比较多，属于高压快充的流派。现在主要以SCP为主，目前最高支持到40W,也是只支持自家的机器。FCP是华为于2015年发布的快充协议，是华为早明的快充协议。该协议是基于USB PD协议发展而来的。FCP工作电压9V,最大电流2A,最高充电功率I8W。
随后2016年华为又发布了SCP快充协议，全称是Super Charge Protocol。早期的SCP支持两种22.5W的输出功率：4.5V/5A和5V/4.5A,后来华为又加入了10V/4A,11V/6A,20V/5A的电压电流档，最高充电功率达到了100w。
FCP协议诞生较早，采用的是类似QC2.0和PE协议的"高压型小电流方案，输出规格为9V2A 18W。2016年后，华为推出了全新的SCP协议，采用的是类似OPPO的"低压大电流方案，好处同样是在增大功率的同时，减少发热。

（3）M1 ChargeTurbo

小米的快充(M1 ChargeTurbo)比较特殊，它采用魔改PD协议的方式，而且在数据线A口内加入了一颖CC触点，采用高通绕龙处理器的机型对QC快充协议具有不错的支特。
例如小米10至尊版支持QC5.0,小米10Pr0支特QC4+,两者都兼容PD3.0。最佳充电速度需要专门的充电线和充电头早期小米通过魔改数据线A口，兼容了PD快充协议，随后开始大力发展自家的私有协议。Mi Turbo Charge目前最高支持120w的充电功率。

（4）VOOC

是OPPO于2014年发布的快充协议，第一代VOOC采用5V/4.5A=22.5w的充电方案。后来VOOC发展成为Super VOOC(OPP0VO0Cl.0/VO0C2.0VOOC3.0)。
第一代Super VOOC/VOOC4.0采用了串联双电芯的设计，充电电流保持5A,充电电压提升到10V,最大充电功率达到了50W。之后第二代Super VOOC/Super VOOC2.0把充电电流提升到6.5A,电压继续保持10V,最大充电功率达到65W。
目前第三代Super VOOC3.0闪充采用三路电荷泵并联分压设计，每颗电荷泵承担42W的供电功率，最大充电功率可达I25W。VOOC闪充可以兼容一加的WARP,realme的DART闪充。

（5） WarpWarp

OnePlus WarpWarp闪充充电协议

（6） DART

Realme DART闪充

（7）Flash Charge

Flash Charge是vivo发布的快充协议。第一代Flash Charge支持5V 4.5A=22.5w的充电功率。后来Flash Charge发展成为Super Flash Charge。
第一代Super FlashCharge,采用电荷泵半压充电技术，最高支持11V 4A=44W的充电功率。
之后第二代Super Flash Charge将充电电流提升到5A,最高支持11V 5A=55W的充电功率。
第三代Super Flash Charge继续提高充电电压和电流，最高支持20V 6A=120W的充电功率。
目前的第四代Super Flash Charge继续提高充电性能，最高支持20V10A=200W的充电功率。

（8）Apple2.4A

Apple设备主要支持两种充电协议：‌Apple 2.4A和‌USB Power Delivery (USB-PD)。

• Apple 2.4A协议：这是一种专为Apple设备设计的充电协议，支持最高12W的功率，适用于较旧的iPhone型号，如iPhone 6到iPhone 15系列。这种协议的充电速度是传统5V/1A充电器的两倍。‌
• USB Power Delivery (USB-PD)协议：这是一种更现代的充电协议，支持更高的功率输出，适用于从iPhone 8到iPhone 15系列的设备。USB-PD协议的最高功率可达27W，能够显著缩短充电时间，例如，实测显示iPhone 13/14/15 Pro Max的峰值功率可达27W。