快速充电哪家强?扒一扒手机快充技术背后的隐秘

CFan 电脑爱好者 2018-05-16 13:34产品 标签:隐秘 手机

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:

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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)。

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。

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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”。

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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。

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。

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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。

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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VOOV、Dash和SuperCharge快充接口对比,本图来自充电头

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VOOV、Dash和SuperCharge快充接口对比,本图来自充电头 

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!

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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准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。

充电速度对比

对电池容量为3000mAh的手机而言,使用5V/2A、QC3.0、VOOC、和Magic Power充电速度对比如下(大概估值,仅供参考):

5V/2A:10分钟7%,60分钟60%、100分钟90%、110分钟全部充满;

QC3.0(9V/2A):10分钟15%、30分钟50%、60分钟90%,80分钟充满;

VOOC(5V/4A):10分钟20%、30分钟60%,50分钟90%,75分钟充满;

Magic Power(5V/8A):10分钟45%、30分钟90%、50分钟充满

从这个结果可见,在充电功率相近的前提下,低压高电流和高压低电流方案完全充满电的时间相差无几。实际上,各种快充技术比拼的也是前10分钟和30分钟内可以充入电量的多少,从这个角度来看还是低压高电流的效率更高

高压高电流代表未来

虽然低压高电流是当下高端Android手机最爱的快充方案,但本着“没有最快,只有更快”的发展趋势,它注定也是要被历史淘汰的。而有望一统未来快充江湖的,就将是“高压高电流”方案。

比如,魅族就曾在2017年的MWC大会上展示了旗下第三代快充技术——Super mCharge,它支持11V/5A高压直充,最大充电功率可达55W!它的背后是电荷泵原理,内部IC只有两组电路,转换效率高达98%,全新定制的安全电芯可以做到800次循环充放电后依然拥有 80%以上容量,足够用户正常使用两年左右。

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但是,Super mCharge需要重新定制数据线和USB端口,至今还停留在概念阶段,并没有实际产品将其猎装。

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另一方面,在谷歌的牵头下,各大快充方案的最新版本都开始逐渐兼容USB Type-C接口和USB PD协议,这就为因“圈地运动”而导致隶属不同快充阵营的手机/充电器之间无法握手的难题有了解决希望。比如,高通QC4.0+的充电器就能触发iPhone X的快充,背后就是源于免费的USB PD协议。

USB PD最高支持100W的充电功率,从而为智能手机实现高压高电流奠定了物理基础。

还记得《石墨烯是个什么鬼?它能改善智能手机的续航吗?》提到的石墨烯充电宝吗?它们之所以可以实现12V/5A、20V/3A的60W充电功率,就是大都建立在支持USB PD 3.0协议的基础上(还有部分产品采用笔记本AC电源充电,无特殊协议)。根据很多网友的反馈,称任天堂Switch、MacBook、联想笔记本、戴尔笔记本或惠普笔记本等自带的USB-C电源适配器都能为此类石墨烯充电宝快速充电,足以印证USB PD协议在兼容性方面的潜力。

快充都是可选项

快充技术往往属于可选项。比如,高通骁龙835支持QC4.0+,但市面上搭载骁龙835且唯一支持该快充技术的就只有雷蛇手机,其它品牌出于成本的顾虑大都选择QC3.0或QC2.0与其搭配。USB PD协议也算是USB Type-C接口的特性之一,但它也是可选的充电标准,比如一加5T虽然采用USB Type-C接口却仅支持DASH闪充,不兼容USB PD。

未来,当石墨烯材料在智能手机领域普及后,借助USB PD协议实现超过40W的充电功率并非难事。一起期待吧!

如何选择快充外设

考虑到很多家庭同时存在不同品牌不同快充协议的手机,所以在选择第三方充电器/充电宝时总会很不甘心,有没有一款外设就兼容全部快充协议的产品呢?很遗憾,至少目前还没有全兼容的产品,充电器领域出现了兼容QC2.0、QC3.0、FCP、SFCP、MTK PE、MTK PE+、USB bc1.2七大主流快充协议的型号,而充电宝领域则有兼容VOOC、DASH、QC3.0、QC2.0和USB PD协议的产品,我们必须根据现有手机进行取舍。有关与快充相关外设的选购问题,智趣狗近期也会和大家分享。

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