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[其它] 【米柚科技说】给你讲讲手机快充技术背后的秘密

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2018-11-25 22:24 | 来自PC
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从2015年开始智能手机就开始掀起一波快充的浪潮,随后更是得到了快速的发展,从刚开始“无快充不旗舰”到今天的“快充是手机的标配”,就可以看出快充技术的普及有多快了。时至今日,很多手机快充技术相比普及之初都有了很大的变化,今天我们就一起来整理一下,目前手机上应用的快充技术都有哪些。

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目前手机上应用的快充技术大体上可以分为“高压低电流”以及“低压高电流”两种,前者的代表是高通的QuickCharge以及联发科的PumpExpress,后者则是OPPO VOOC、一加DASH以及华为SuperCharge。

不过这几家的快充技术基本上都是自家的平台或者是自家产品才可以使用,想要和别家的快充技术通用,目前来说还是难以实现的。苹果则到iPhone 8和iPhone X开始才在移动平台上应用真正意义上的快充技术,此前iPhone标配的都是5V 1A的充电器,只有使用iPad的5V 2.1A充电器时才会有更快的充电速度。而现在iPhone 8/8 Plus与iPhone X上应用的也不是苹果自己开发的快充技术,而是相对通用的USB PC 3.0标准。

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在锂电池充电的过程中,其背后就是锂离子从正极排出并快速的嵌入负极,不能造成锂离子的沉积,这个过程越快就意味着充电时间越短。为了加速锂离子的迁移速度,手机行业逐渐流行起了三种快充方案:

A:电压不变,提高电流(低压高电流);
B:电流不变,提升电压(高压低电流);
C:同步提高电流和电压(高压高电流)。

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下面,我们就看看智能手机领域是如何在这三种快充方案间取舍沉浮的。
迈过10W的“快充”门槛

在《续航不够?充电太久?先搞明白手机电池的原理吧!》一文中,小编介绍过智能手机电池充电需要经历的三个阶段,恒定电流预充电、恒流调节模式和恒定电压充电。而要想提升锂电池的充电速度,就必须在“恒流调节模式”下加以改进。
以Android系统手机为例,早期产品的电池容量普遍在900mAh~1500mAh之间,而标配充电器的输入参数也多以5V/1A为主,最高可以实现5W的充电功率,完全充满电力需要2.5个小时到3个小时之间。


随着大屏手机开始流行,电池容量也纷纷突破2000mAh大关,但随之而来的则是充电耗时的延长。
以三星第一代Galaxy Note(i9220)为例,这款产品武装了当时最大的5.3英寸屏幕,电池容量也达到了2500mAh,但充电器规格依旧是5V/1A,所以其充电时间长达4.5小时左右。长此以往,当手机电池容量达到3000mAh甚至4000mAh时,难道就必须整宿充电了吗?

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高通是最早认识到这个问题的芯片供应商之一。早在2013年高通就提出了“快充”的概念,Quick Charge 1.0(下文简称QC1.0)就此诞生。QC1.0通过提高输入电流来提升充电效率,支持5V/2A即最大10W的充电功率,突破了USB-IF关于USB Battery Charge 1.2协议1.5A的电流上限,符合“低压高电流”方案的定义。同一年,华为在第一代Mate手机身上也引入了“快充”概念,同样支持5V/2A输入,3.5小时以内就可将4050mAh电池充满。

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可以说,5V/2A是智能手机快充道路上的一个关键节点,它让手机在电池变大的同时充电等待时间也变得不再难以接受。然而,随着智能手机纷纷以5V/2A充电纳入最低标准时,10W充电功率就不再符合“快充”的定义了,并逐渐沦落为“普充”甚至“慢充”。
高压低电流快充的崛起
2013年,高通在QC1.0的基础上提出了QC2.0的概念,将“高压低电流”方案进一步升华。可以说,QC2.0是快充历史上普及度最高,影响力最大的标准,哪怕是三星2018年度旗舰Galaxy S9采用的依旧是5年前诞生的QC2.0。

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QC2.0之所以影响深远,是因为它无与伦比的兼容性。Micro USB是智能手机的标配,但它受制于物理接口的限制,一旦超过2.5A的电流就容易出现损毁。市面上随便买一根廉价的Micro USB数据线,其安全电流耐受范围也是不大于2.5A。

QC2.0聪明的地方就是绕过了Micro USB接口和数据线的制约,只是通过暴力地增加输入电压来提升充电速度。简单来说,QC2.0通过USB端口的D+和D-两个信号实现通讯和调压,新增对9V、12V和20V(用于平板电脑,非常罕见)电压的支持,最大支持9V/2A和12V/1.5A即18W的充电功率( 极少数设备可短时间实现12V/2A即24W的充电功率,但因发热问题而无法持久),并向下兼容传统的5V/2A输出。这意味着QC2.0充电器可以适配更多老旧手机和数码设备,也能抵消劣质/较长的充电线带来的电压损耗,从而保证充电的效率。

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出于安全和经济利益上的考虑,高通还为QC2.0制定了更为严苛的认证规则:手机端内集成的电源管理IC可以动态检测电池电量,根据预置方案决定所需的充电电压,并向充电器端发出升压或降压的信号;充电器端也需要集成专用的识别IC,用于和手机内电源管理IC相互认证。认证成功则“握手”,并按照手机端发出的升压或降压的信号实时调整电压参数。如果认证失败则“撒手”,保持默认的5V输出。

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高通的QC2.0快充技术给了同行们参考借鉴的思路,并展开了一轮轰轰烈烈的“圈地运动”。

快充方案的“圈地运动”

作为高通的最主要竞争对手,联发科在高通提出QC快充技术不久,也推出了自家的Pump Express(下文简称PE)快充技术,而随后的Pump Express Plus(PEP)则对应QC2.0,至于PE和QC的最大差异是前者改用VBUS上的电流脉冲来进行通讯和调压。除了联发科,华为也拿出了Fast Charger Protocol(FCP),它们的共性是全部基于“高压低电流”方案衍生而来,而三星Fast Charge、vivo的双引擎闪充和魅族MCharge等品牌主打的快充技术,则大都是基于QC或PE方案的“马甲”。


手机厂商对自家的快充技术起名字(如Fast Charge和MCharge)是为了便于宣传,而芯片商推出各自的快充技术则是为了“圈地”,比如QC、PE和FCP等技术原理完全相同,硬件端理论上是可以相互兼容的,只是因为“握手协议”不同,需要和指定授权的充电器(包括充电宝)搭档才能激活快充。

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没错,快充方案的“圈地运动”本质上就是用于提升影响力,并通过授权外设盈利的一种手段。

高压低电流快充的困局

高压低电流快充方案虽然兼容性出色,但它却存在一个致命的问题,充电器端输出的电压再高,进入手机端后也需要转换成与电池匹配的电压(约4.0V)。这就导致输入电压越高,转换效率越低,而损失的功率将会被转换为热量,从而影响到手机的安全和稳定性。
因此,很多Android手机厂商虽然采用了QC2.0快充技术,但标配充电器却仅支持9V/1.5A或12V/1.2A,远远低于QC2.0的理论最大值。同时,无论是QC2.0、PEP还是FCP,只有手机处于待机(黑屏)状态时才能“满血充电”,一旦手机亮屏后,充电功率就会下降到10W左右,其初衷就是降低发热避免隐患。

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与此同时,高通和联发科在2015年还先后祭出了QC3.0和PE2.0快充技术,它们和上代QC2.0/PEP相比,输入电压不再是非A即B(暴力地在5V/9V/12V等整数间直接切换),而是允许输入电压在3.6V到12V之间,以200mV(QC3.0)或500mA(PE2.0)为步进单位进行微调,在充电速度和发热对应的曲线中找到最合理的那个节点,弥补高压低电流快充方案转换率偏低的耗损和发热。
现实是很残酷的。随着消费者对快充体验变得越加看重,高压低电流快充方案已经走到了尽头,而另一种低压高电流快充方案则逐渐被市场认可,走上了从小众到普及的逆袭之路。

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低压高电流快充的逆袭

提到低压高电流快充方案,OPPO算是扮演了开拓者的角色。早在2014年,OPPO就推出了“VOOC闪充”并将其应用在旗舰Find7身上。VOOC闪充最大的特色就是支持5V/4.5A输入,充电功率可达22W,30分钟就可将电池从0恢复到75%,并造就了“充电5分钟,通话2小时”的经典广告台词。


低压高电流快充方案的优势还体现在可靠性上:由于输入电压和电池电压相差不多,所以几乎没有电压转换的过程,快充时只有很少的功率被转换为热量,主要的发热源也从手机端转移到了充电器端。因此,哪怕手机处于亮屏状态,依旧可以进行满血快充(即所谓的“边玩边快充”),只有在玩游戏手机热量上升时才会降低充电电流。

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可惜正如前文所说,标准的Micro USB接口和数据线都无法安全承载超过2.5A以上的电流。所以,OPPO重新为VOOC闪充定制了与众不同的硬件:7针Micro USB接口(标准Micro USB只有5针,多余针脚起到协议识别和大电流传输的作用)、8金属触点的电池、相对应的内部MCU电路以及专用的充电器。

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由于实现VOOC需要较高的物料成本,所以这种低压高电流快充方案并不被业界看好,在未来的很长一个时期内只有OPPO孤军奋战。随着USB Type-C接口标准的出现,低压高电流快充方案普及的契机出现了。

USB Type-C接口内部拥有24个针脚,可以识别更为复杂的认证协议,并支持最高100W的充电功率。同时,USB Type-C数据线普遍可以承载3A以上的电流,一些品质较高的数据线甚至支持5A或更高,困扰VOOC闪充的接口线缆问题就这样被解决了。

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于是,一加带来了Dash闪充(5V/4A,如一加5T)、华为实现了SuperCharge超级快充(5V/4.5A,如Mate 10),魅族也推出了mCharge4.0(5V/5A,如Pro7 Plus)。如果这些由手机厂商主导的快充技术还说明不了什么,那高通和联发科的态度则可让快充技术的未来更加明朗。

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高通和联发科在2016年分别发布了旗下最新的QC4.0和PE3.0技术,除了兼容USB PD(谷歌强制要求)以外,全部引入了低压高电流快充技术。其中,高通QC4.0取消了12V电压档,最大支持5V/5.6A和9V/3A输出,电压支持以20mV为单位进行微调。

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随后发布的QC4.0+则加入了双充装置(通过一个电源管理集成芯片可以将电流分成两半,使芯片散热速度加快从而减少充电所需时间)和智能热平衡功能(自动让电流选择双充中温度较低的路径,让设备在快速充电的同时保持低温)。联发科PE3.0支持的电压范围在3V到6V之间,同样能以20mV为单位进行微调,而输出电流最高可达5A,最高充电功率可达30W。

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那么,低压高电流的极限是多少?华为在2016年底推出的荣耀Magic可能就是正确答案。这款手机采用了名为“HUAWEI Magic Power”的快充技术,可以实现最大5V/8A即40W的充电功率!


小提示:能否让快充以“满血”状态进行,对数据线的要求极高。像VOOC闪充只支持原装数据线,而其他快充方案则兼容标Micro USB(高压低电流)或USB Type-C(低压高电流)数据线,只是USB Type-C数据线的品质会决定它能承载多大的电流,购买兼容USB Type-C线时要挑选支持5A输入的。

总之,低压高电流快充方案拥有更高的转化率、发热低、可边充边玩等优势,取代高压低电流已经成了大势所趋,市面上很多高端旗舰已经逐渐猎装这一技术,而QC、PE、FCP等快充技术则逐渐下放到千元级别的入门产品身上,加速快充在整个智能手机领域的普及。


参考文献:




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没啥亮点,让你们失望了??鉴于有米友劝告我不要独害大家,在此深表歉意,不再提供链接,18请私信!

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原来如此。。。。。。,,,,,,

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2018-11-26 13:46 | 来自小米手机5s
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不积跬步,无以至千里;不积小流,无以成江海。
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