浅析快充的发展与电磁兼容测试

刘颖 杨楠 李滟 赵羽声 杨统乾

（中家院（北京）检测认证有限公司，北京 100176）

随着电子产品功能的增多，耗电量也随之增大，而电池的进步速度远不及电子产品的发展速度，因此消费者对快充有了迫切需求。为了迎合消费者，各大厂商们分别推出了快充适配器（简称快充），解决了人们的“充电焦虑”问题。

快充产品的更新迭代，功率多种多样，最大功率18 W、20 W、30 W、40 W、65 W、100 W 不等，历年的国家监督抽查和地方监督抽查结果，使得快充产品的质量问题备受关注。本文全面分析了快充电磁兼容的影响因素，为最终提高产品质量和认证效率提供技术及管理建议。

1 快充概述及主流快充协议

2018 年3 月，中国通信标准化协会发布标准YDB 195-2018《移动通信终端快速充电技术要求和测试方法》，标准中指出“快速充电模式”的概念为一个由适配器、线缆和终端组成的充电系统，从初始充电状态开始，至充电30 分钟，通过提高适配器的输出电压或输出电流，实现进入电池的平均电流大于等于3 A 或总充电量大于等于电池额定容量的60%的充电方式”。这就意味着只有“充电30 分钟，电流≥3 A 或者总充电量≥60%”的适配器产品，才能叫做“快充”[1]。

1.1 快充端口

目前快充USB 常用两种接口（如图1 所示）：USB-A 和USB-C。USB-A，就是我们常见的USB 矩形接口，有正反面，接口较厚，传播速度一般，只能单向传输。USB-C 接口就是我们常说的Type-C 接口，椭圆形接口，接口较薄，高达24 pin的引脚能让接口支持100 W 电力传输和20 Gbps 数据传输，且支持双向传输，不分正反面且支持双面盲插。

图1 USB-A 和USB-C 接口

快充产品除了接口不同外，协议也有所不同。高通QC协议、PD 协议是现今最为普及的快充标准，广泛应用在手机、平板、笔记本电脑等设备上。随着时间推移，这两大快充标准也在不断发展。

1.2 主流快充协议

1.2.1 高通QC 协议

从2013 年到现在，高通QC 快充协议有近9 年的历史了，充电功率提升了10 倍，充电速度更是提升了不止10 倍。如图2所示，QC 1.0 开启快充时代打破USB-IF 当时5 V 1.5 A 的上限电流，提升到5 V 2 A。QC 2.0 支持 5 V、9 V、12 V 和20 V 四档电压输出，电流支持 1.5 A 和2 A 两种规格输出。采用高压快充技术，降压转化损耗较大，充电时发热较为严重。QC 3.0的电压采用了3.6 V～20 V 动态调节，最大电流提升到了3 A，低压高流的快充方式，不仅降低了发热量还提升了充电速度。高通QC 4.0/4.0+更是开始全面支持Type-C 接口，兼容USB PD 协议。直至2020 年7 月推出Quick Charge 5.0（简称QC 5.0）充电解决方案，100 W+功率，5 分钟充满50%。QC 5.0充分利用了USB PD 协议，支持向下兼容QC 2.0/3.0/4.0。还充分利用了USB PD 及USB-C 技术，与USB 行业标准兼容。

图2 QC 发展史

1.2.2 PD 协议

USB PD（USB Power Delivery）协议，是USB-IF 在2012 年提出的。USB-IF 发布的PD 协议引入了Type-C 接口，并成功将Type-C 接口在PD2.0 后推向主流市场，成为主流接口之一。USB PD 3.0 和USB PD 2.0 相比，依然是支持5 V 3 A、9 V 3 A、12 V 3 A、15 V 3 A、20 V 5 A 输出，最大功率100 W（如图3 所示），这一更新并没有让手机市场快充协议标准混乱的局面得到改善，快充协议标准依然是各自为营，互不兼容。

图3 PD 发展史

直到USB-IF 发布USB PD 3.0 的重要更新—可编程电源PPS（Programmable Power Supply），能够实现对高通QC 3.0/4.0、联发科PE 2.0/3.0、OPPO VOOC、华为SuperCharge 等协议的收录，意味着PD 3.0-PPS 可以完美支持这四种快充方案。USB-IF 甚至已经与中国工信部的泰尔实验室达成了共识，未来将与国标实现统一协议标准，旨在为当今的快速充电解决方案提供统一的规范。

2 快充的EMC 测试分析

快充产品，属于电源适配器的一种，要符合国家适配器标准的CCC 强制性认证。需要同时满足安全标准要求和电磁兼容标准（EMC）要求。在2019 年电源适配器产品质量国家监督抽查项目中，电源适配器的不合格率高达20%[2]。2020 年贵州省市场监管局发布了关于流通领域彩色电视机等22 中产品质量监督抽查情况的公告，公告指出电源适配器产品12 家销售者销售的22 个批次产品不合格[3]。其中EMC的不合格项目为传导骚扰电压（150 kHz～30 MHz）和辐射发射（30 MHz～1 GHz）项目。

传导骚扰干扰信号通过导电介质或公共电缆相互干扰。传导干扰分为差模干扰和共模干扰。差模干扰是指以两根导线作为往返传输路径，频率在1 MHz 以内，一般是因为开关切换过程中电流变化所产生的。共模干扰是指在导线与地（机壳）之间传输，一般在高频容易通过空间感应到电缆上，频率集中在1 MHz 以上，是由电压变化所产生的。差模干扰和共模干扰区别示意图如图4 所示。辐射骚扰则是指通过磁场能量以空间传播的方式传输到待测器件的噪声。本文从骚扰频段的角度进行分析，找到了影响因素，并提出解决办法如表1 所示。

表1 电磁兼容影响因素频段分析

图4 差模噪声与共模噪声区别

滤波电容、滤波电感均为快充产品电磁兼容试验的关键元器件，因此关键元器件如何选择同样是至关重要的。

2.1 滤波电容的选择[4]

由表1 可以看出，X 电容、Y 电容对差模和共模干扰起到一定的滤波作用。X 电容是跨接在电力线（L-N）之间的电容，一般选择耐高纹波的聚酯薄膜类电容；Y 电容是跨接在电力线和地之间（L-E，N-E）一般是成对出现，Y 电容由于漏电流的限制，电容值不能太大，通常采用高压和耐浪涌雷击的瓷片电容。由于快充产品功率大、升温快，需要电容器件耐高温。快充尽管采用了准谐振模式和氮化镓功率管等来提高效率，但功率密度的提高还是噪声快充内部元件的提升，因此选取耐高温85℃以上的电解电容。

2.2 滤波电感的选择

共模电感必须有足够高的阻抗，因此需要选择高磁导率的锰锌铁氧体和非晶材质。抑制差模的电感，要求磁芯材质在偏磁场下仍能保持磁导率指标。因此材质选择具有高Bs 值的金属磁粉芯磁环和开路铁氧体磁芯，使用铁镍钼、铁镍50、铁硅铝三种闭合磁路的金属磁粉芯磁环。

当存在两个不同的阻抗信号时，差模噪声和共模噪声会相互转变，一般在快充产品设计时主要控制电路网络中的寄生电容和电感，使其最小，从而避免差模和共模电流的产生。另外如果环路面积过大，同样会造成差模超标，差模噪声还会转化为共模噪声。环路面积减小，差模干扰也会变小，同时差模向共模转换也会变小。综述以上分析和建议希望能为产品制造商和认证工程师在产品研发、认证时提供有益的参考，提高产品质量。

3 结束语

回顾快充的发展历程，目前已经基本实现快充输出接口与手机接口的统一，协议的统一仍需各厂商及USB-IF 组织的努力。快充的高利润促使市场产品参差不齐，在发展技术创新的同时，切记忽略产品质量，给消费者带来使用隐患。本文对快充产品对电磁兼容项目的分析，希望能为企业人员的设计和消费者的选购带来建议，并希望试验室和企业能够以此为参考，共同提高产品质量。