AC-USB充電器無論在高低單價賣場，滿天飛舞花滿樓，背後的亂象卻是令人擔憂，也就是相同的USB連接端子，輸出的電氣規格，紛亂無比，各種電壓電流值充斥在市場各個角落；最為鮮明的案例之一就是iPad，傳統PC的USB 2.0連接埠之5V/500mA無能應付，顯示沒有在充電。沒有電子工程底子的使用者，不陷入困擾，那才叫做奇怪。其實，為了因應現實大電流的需求，USB-IF有一份獨立的充電規範標準，也就是本文要導讀的所在地。唯一的遺憾是，廠商會鳥它嗎？
USB充電市場亂象 現形錄：
網路上流傳著一張深具張力USB充電的kuso圖片，暗諭著USB充電的未來，似乎看不見底線的期望值。
<<< 圖1 USB充電未來啟示錄。取自Gizmodo。>>>
iPhone 4、iPad/iPad 2超夯，可是有些問題卻是紛擾。最為鮮明的地方，就在於電池充電。依據蘋果使用手冊上的記載，iPad 乃是隨附著10W USB 電源轉換器(舊款相同造型的是5W)，而USB介面的開天闢地規格就是5V/500mA，難以支撐iPad 2 大電池的6930mAh；即使新規範USB 3.0的900mA也是不足。也就是說「USB 大電流充電」的時機已經風雲來到，傳統的USB 5V/500mA受到嚴厲的挑戰，即使USB 3.0的900mA也跟不上時代的速度。各個主機板廠商也意識到這個問題的嚴重性，說它危機也未嘗不可；為了克服這個迫切的問題，新一代的主機板或多或少可以利用小程式來更新USB連接埠的供電能力。
若是守舊古墓派，遇上了蘋果，那一口您是咬不下去的。這是一個「匪類」為王的年代。
光是蘋果產品的充電問題，就夠您搞半天了。甚至揚名國際知名的一些iPod專用喇叭還不能對應iPod Touch，也就是沒有辦法充電。
<<<圖2 iPad所附的充電器可是10W呀。摘自蘋果iPad使用手冊。>>>
<<< 圖3 這個10W充電器造型也有早期的版本5W，不要搞混了。>>>
<<<圖4 iPad插入一般PC之USB連接埠，卻顯示沒在充電(右上角顯示)。>>>
(編按:為尊重作者圖片權益,以下圖片未能刊出,如欲瀏覽全文請查詢2011年10月150期印刷版)
<<< 圖5 連國際知名品牌iPod專用喇叭都無法對iPod Touch 4充電。>>>
又，韓國三星也毫不示弱，其數位相機的AC-USB配接器上竟然寫著4.4V/400mA的超詭異數字，若是從工程上的觀點來思考，設計者有可能不是天才就是白痴。
<<< 圖6 三星所用AC-USB充電標示著4V/400mA。>>>
若是到市場上查詢通用型的AC-USB配接器，更是亂如戰國、紛花滿樓；尤其是來自中國大陸不知來路的廉價產品充斥在各大賣場上，價格超級便宜，可是毫無任何可信賴的公私機關來把關驗證，那，怎麼來保證品質呢？ 曾經看過一位朋友使用了超廉價的山寨充電器來對PS3無線遙控器充電，結果卻是燒壞了兩個，簡直氣瘋。在當前的天下紛亂狀態下，唯一比較保險來保護產品資產的方式，大概就是利用原廠的充電器吧!
<<< 圖8 AC-USB轉接器，亂如戰國。>>>
<<< 圖9 USB連接埠充電的供應電流也五花八門。>>>
也有人針對任天堂與PSP遊戲機器，推出專用AC-USB充電器，志在女性朋友的錢包，規格數字絲毫不重要也不透露，而是要可愛地兼外貿協會總動員。
<<< 圖10 任天堂與PSP遊戲機專用充電器。>>>
還有一件攸關您我他的趣事，那就是手機端充電孔，有機會將統一採Micro USB規格(該是USB 2.0的Micro USB而非USB 3.0的Micro USB)，可是iPhone依然是我行我素，使用蘋果排孔充電照賣不誤。即使歐盟最新手機充電孔有Micro USB規格，就算到2012年才會全面實施，不過，這顆富可敵國的蘋果會遵循嗎？ 難難難!
另外，所謂公共設施諸如機場的手機充電，更是危機四伏；手機內部資料有被盜竊的風險存在。反而是攜帶式充電器或是當夯的行動電池，才合乎人性上的使用行為。有些速食店或是便利商店，不僅提供了上網服務，也提供電源插頭，這才是服務。
USB-IF官方的充電規範導讀：
USB-IF這個民間組織的歷史功過，時間總會紀錄下來，該組織有定義亮麗的成績，也有很爛的結果表現，譬如說，沒有利用價值的殭屍規格也有不少。該組織所規範的USB 2.0打了漂亮的大滿貫，把先天本質不錯的1394逼到矮牆角落去喘氣；而USB 3.0當前正處於加溫進行式中，價格戰已經打的如火如荼了。而該組織的旗下電池充電工作小組，也定義有一份電池充電的規範「Battery Charging Specification. Revision 1.2」。
實話實說，若是站在工程與考量消費者的立場上，合乎規範的設計準則，再加上嚴格產品認證的方式來把關，可以確保產品的安全性以及不同廠商產品之間的搭配性或相容性。不過很遺憾，當前的樣態似乎各個廠商我行我素，根本不甩這一套，才會引起造成目前這種局面。無論如何，還是鼓勵大家遵照某些一定的準則，才是消費者的福氣。
<<< 圖11 USB-IF產品工作小組。>>>
「充電不僅是一項技術，也是一門藝術」。規格定的好，大家比較容易看的懂、容易去實現。而技術最為令人討厭之處，就在於技術的固有專用名詞太多。電氣上的規範數字已經令人頭昏眼花，這些定義規範的人又喜歡凝造出一堆怪名詞與縮寫，閱讀規格就變成一件徹底非賞心悅目的事情。
為了解說上的方便，還是以規格中的名詞為依據，才能看的懂圖片。至於，OTG部分，筆者老早就已經說過，這是個不太合乎人性的規格，對於消費者只會帶來困擾與造成使用上的複雜與難理解。總之，請記住一句箴言「消費者不是工程師」，站在消費者的立場來替消費者設想，總是比較好吧。蘋果在這方面算是及格的公司。不信的話，您可以試著想或是詢問使用者，有誰知道Micro AB的連接器；答案自會出現。
先來搞清楚幾個觀念或名詞吧。
*USB充電有專用的充電器或是透過PC、筆電主機板提供的USB電源來供應。前者就稱做專用充電埠DCP(Dedicated Charging Port)，可以透過市電或是汽車上的電源來供電。而DCP在規格中，規定了一件很重要的概念，那就是D+與D-信號線必須短路在一起。
然而，若是看蘋果內部的機密資料，不難發現蘋果根本不甩這個論述，依然自行其道。不信的話來看其1A充電器的回路吧。(姑且假定這個資訊的來源正確)
<<< 圖12 蘋果 1A充電器的D+與D-配置。>>>
*沒有電的電池，就稱之為「Dead Battery」，並不是指壞掉的電池。而另一個名詞「Weak Battery」，則是說電池的低電壓，也就是說可以充電的門檻電壓。至於「Good Battery」當然就是說充好電可以開機動作的電池了。
同時，規格中也規定了，若是攜帶式裝置的電池沒有電或是弱電力，也必須通過USB-IF的侵入電流測試(inrush test)項目。
*額定電流(rated current)，就是意指充電埠所能供應的電流，它務必大於攜帶式裝置的充電電流；很多傳統USB埠不能對iPad充電，就是電流供應輸出不足也。依據規格的數據指出，充電埠的額定電流範圍IDCP = 0.5 ~ 5.0A。
對於充電系統型態的連接方式，規格書中列出了多種方式，可是就實際的使用情況以及消費者的使用直覺性考量，基本上還是以下圖的兩種方式，較具有可行性。
<<< 圖13 較為合理的充電連接型態。取自規格書。>>>
再說一次，充電是一項技術，更是一門藝術；可繁可簡。由於電氣裝置的首要考量絕對是安全至上，因此，充電構造理想上還是有一套遊戲準則會比較有保險。基於這個考量，規格書也針對攜帶式裝置，描述了充電器偵測的硬體架構。建議做週邊產品的廠商，還是盡可能參考這個模型；不要讓USB充電，最後亂成一團甚至失控。
<<< 圖14 攜帶式裝置充電器偵測硬體。取自規格書。>>>
這個硬體結構的構成，係由下列幾個線路機能要素所建構而成：
1.Vbus電壓的偵測；藉由一個比較器來實現。為何需要先偵測Vbus，這點與USB連接器/連接座的設計有關。當連接頭插入連接座時，Vbus會比資料線先行接觸。請參閱下圖，就一目了然。
<<< 圖15 USB 連接器的接觸方式；Vbus與GND會先行接觸。>>>
2.資料信號接觸的偵測；當然，一個攜帶式裝置不需要去實踐這個程序。攜帶式裝置如何來區分專用充電器還是諸如電腦PC的下游埠呢？唯一的辦法，就是來觀察資料線的佈置。因此，才會定義了下一個程序，稱之為「首要偵測(primary detection)」的方法。
請注意，當攜帶式裝置連接到一般的下游埠時，D+會因為電阻而拉低。
3.首要偵測(primary detection)，就是用來區分一般下游埠以及其他不同形式充電埠的一個方法。下圖顯示了當攜帶式裝置連接到專用充電埠時的電路梗概。由於專用充電埠的D+與D-信號線會短路在一起，可以利用這個特徵來善用D-的電壓比較。
<<< 圖16 當攜帶式裝置連接到專用充電埠DCP時。>>>
4.規格書中還有定義一個「次要偵測(secondary detection)」。這一點非常容易讓人引起困擾。它的作用，就是要區別專用充電埠DCP以及下游埠專用充電CDP。
至於，做與不做，也許見人見智吧。
5.充電器偵測的時序(timing)關係。在此不多做描述，於產品實做時，請參考規格書上的規定。
6.留意接地電流(ground current)與雜訊幅度(noise margin)。
規格書中定義了好幾種形式的充電方式，不過個人認為無妨先將重點擺放在專用充電埠DCP以及下游埠專用充電CDP上；DCP乃是Dedicated Charging Port之縮寫，而CDP卻是Charging Downstream Port之意。兩者皆是必須提供USB標準A之連接座。而對於連接座內的顏色，就沒有指明了，不過，沒有理由採用USB 3.0藍色的連接器吧。
因此，對於這兩種方式的必要動作範圍需要遵守與認知，也就是說「負載曲線(load curve)」要確實去實踐。
<<< 圖17 CDP的必要動作範圍。摘自規格。>>>
從負載曲線可以看出，若是發生了過電流超載(current overload)的狀況，CDP需要關機來保護；當電流過度負載移除之後，也需要在一定的時間之內輸出充電電壓。
下圖是專用充電埠DCP的負載曲線(load curve)，您可以用心來比較DCP與CDP兩者動態範圍上的差異。若是站在使用者上的立場，該是一個大電流的小型攜帶方便之充電器，該是最佳的選擇，一個可以充多個；就好像用一個10W的USB充電器，就足以應付iPad、iPhone、iPod、MP3甚至某些數位像機。
憑良心說，過多的電源配接器(power adapter)已經形成一種莫須有的浪費，造成環境的負擔；就算要回收內部的銅線，所費功夫與敲敲打打，對環境而言很不好，因為，回收背後的代價與額外垃圾。
<<< 圖18 DCP的必要動作範圍。摘自規格。>>>
從這兩個負載曲線(load curve)，不難看出，USB-IF對於從USB拿取電力的充電電流最大值是定於1.5A的水準。以專用充電器來說，USB-IF定在500-1500mA；而中國大陸專屬的YDT1591-2006，則是定於300-1800mA；輸出電壓兩者皆為4.75V-5.25V。就充電技術歷史來說，不管是1.5A還是1.8A，都已經算是大電流充電了。(90年代的很多專用充電器，充電電流往往也低於100mA甚至僅有兩位數而已)
在設計的準則上，還有一個小小的因素也要注意，那就是往往會被忽略掉的寄生電容問題。由於專用充電器的D+與D-是聯繫在一起，資料線對於Vbus以及GND之間的寄生電容，最高限制在1nF。
此外，規格書還提出另一種有趣的使用者行為模式；可是，我總是覺得把問題給複雜化了。這是工程師的思維，一般的消費者沒有這麼厲害有足夠的認知。在此，僅略為介紹性的描述。
規格中定義了一種ACA(Accessory Charger Adapter)的東西，很難用文字說明與翻譯，請先看圖吧。
<<<圖19 ACA(Accessory Charger Adapter)。摘自規格。>>>
從圖中馬上可以理解ACA提供了三種連接埠：
—. OTG連接埠 ：連接接OTG裝置。
—. 附件埠(Accessory Port) ：連接裝置。
—. 充電埠(Charger Port)：接充電器。
其實，這款模型的背後精神是想透過充電器同時對OTG裝置與附件裝置充電，而OTG裝置依然可以與附件裝置互通。立意雖好，可是把消費者當成工程人來看就有點不著邊際了。一來，ACA這個名詞或裝置，太難懂。二來，OTG這個玩意根本不成氣候。三來，這種使用者行為模式也未免過度複雜。四來，設計上可能問題重重，不容易驗證。
至於，將ACA還更進一步區分為Micro ACA 以及標準ACA，這叫做玩死人。也許蘋果做個並不完美，然而，在充電器上算是做的還不錯。只因為產品競爭過於激烈，當產品推陳出新的速度過快時，整個藍圖就亂了，往往見縫插針。
俗話說，十次車禍九次快，數位家電產品引起的充電困擾何嘗不是？
【 參考資料 暨 延伸閱讀：】
1.Battery Charging Specification. Revision 1.2. December 7, 2010。
2.http://en.wikipedia.org/wiki/Common_External_Power_Supply。
3.http://www.eettaiwan.com/STATIC/PDF/200901/20090120_Allion_TA03.pdf?SOURCES=DOWNLOAD。
4.USB 3.0王者介面再臨。
5.您必須知道的USB 3.0，陳乃塘；Compotech。
