关于手机快速充电的事情

有消息称，2019年的新款iPhone最终将放弃祖先的五福和宜安（5V / 1A）充电头. 毕竟，要为iPhoneXs Max充值标准的“五福”需要210分钟. 其他孩子的Android的最佳效果通常在一个小时之内.

当然手机快充电压，其他孩子的孩子一天的表现并没有改善. 自2013年高通推出QC Quick Charge以来，Android快速充电技术的发展进入了快车道，并且出现了各种技术和标准. ，手机的充电时间不断刷新限制. 在找出快速充电之前，我们必须首先知道电池的充电方式.

锂电池充电通常经历三个阶段: 预充电，恒流充电和恒压充电. 在预充电阶段，电池电压低，活动性差，内阻大，只能接受较小的充电电流. 随着电池电压的升高，电池的活动性增强，内部电阻变小，可以接受更大的充电电流（在恒定电流阶段，电池容量的70％基本已充电）；当电池电压上升到接近截止电压时，系统电压不再上升，充电电流自动减小，直到电池充满电为止.

手机使用检测到的电池电压来显示剩余电量. 例如，当电池电压为4.4V时，功率为100％，当电压为3.6V时，功率为0％，手机会自动关闭.

如何实现快速充电？

充电时间=电池容量/充电电流*系数，缩短充电时间最直接的方法是增加恒定电流充电电流. 如果要增加电流，则充电头的输出功率（手机的输入功率）将增加.

因此，近年来，手机充电头的输出功率一直从5W，10W和18W不断增加. VIVO还在9012年发布了120W快速充电技术.

那么如何增加充电头的输出功率呢？

功率P = U * I，增加功率将增加电压，增加电流或两者兼而有之. 因此，业界已经发展出三种方案: 高压快速充电，低压快速充电和电荷泵快速充电.

1. 高压快充

2013年，高通发布了QC1.0，它将首先将充电功率提高到9W（5V / 1.8A），并在明年推出QC2.0的高级版本，将充电功率进一步提高到18W（ 9V / 2A或12V / 1.5A），此后就确立了其在高压快速充电领域的领导地位.

高通出于某种原因选择高压快速充电解决方案. 在2014年左右，Android手机的主流充电接口仍然是MicroB，MicroB支持的最大充电电流为2A. 作为第三方供应商，高通只需增加充电电压即可继续增加基于MicroB接口的充电功率. 另外，高压快速充电解决方案相对容易实现，且成本增加不明显. 无需更换接口和充电电缆，这对于最终客户来说更容易接受，这与高通公司将其定位为“平台”相符.

但是高压快速充电解决方案发烧存在严重问题. 进入手机后，充电头输出的9V / 12V电压将被手机中的充电IC降低. 在降低电压，增加电流的过程中，传统的BUCK型充电IC的转换效率仅为89％，并且能量损失会引起严重的发热（18W快速充电在电池上的热量损失为1.96W）. 仅限充电IC），并且随着充电功率的进一步增加，这种现象将变得更加严重.

2. 低压快充

“五分钟的充电和两个小时的通话”，OPPO在2014年推出了VOOC闪速充电22.5W（5V / 4.5A）低压快速充电技术. 由于低压快速充电直接增加了充电电流，并且不需要电压的二次转换，因此很好地解决了高压快速充电的发热问题，并且还可以“边充电边玩”.

为解决MicroB接口不能承受大电流，传统导线的寄生电阻过大的问题，OPPO专门定制了充电接口，充电电缆和充电头，用于VOOC闪充. 作为手机制造商，OPPO可以自由定义自己的手机配置，而无需考虑兼容性问题. 这也是OPPO在推出低压快速充电解决方案方面与高通不同的主要原因.

尽管低压快速充电解决了由高压快速充电的第二次降压引起的散热问题，但低压快速充电在继续增加充电功率的道路上也面临许多挑战. 各种组件都是一种测试，导线和接口的热损耗会变大，整个系统的功耗也会成倍增加，相应的定制成本也会越来越高.

继续增加充电功率手机快充电压，高压和大电流似乎是必要的，高压和大电流面临的共同敌人是热量. 产生热量的主要原因之一是充电IC的热损失. TI曾经做过计算后，在相同的热损耗下，效率提高了2.5％，充电电流可以提高27％. 因此，提高充电IC的效率已成为快速充电进一步发展的关键.

3. 电荷泵快速充电

电荷泵是一个无感DC-DC转换器. 它使用电容器作为电压转换的储能元件，可以将电压减半并使电流加倍. 而且其转换效率可以达到约97％，远高于普通充电IC的89％. 这使得充电泵在60W充电时的热损耗低于普通充电IC 18W充电时的热损耗. 如此低的发热量解决了高压快速充电的瓶颈，使超大功率快速充电成为可能.

此外，标准的Type-C接口支持3A电流，并且在USB PD协议下可以支持高达100W的充电功率（20V / 5A）. Type-C接口的普及还提高了电荷泵的速度. 充电兼容性.

基于电荷泵技术，魅族于2017年在MWC上发布了Super mCharge 55W快速充电概念机，TI推出了批量生产的电荷泵BQ25970. 华为最初计划在40W快速充电中使用5V / 8A，但在2018年果断地更改为10V / 4A电荷泵解决方案，并将其应用于Mate20pro. （虽然由于各种原因，魅族尚未量产55W快速充电，但其最新的旗舰产品16s pro仅配备24W快速充电. ）

当然，电荷泵并不是万能的，它需要与传统的充电IC和充电头中的协议控制IC配合才能对手机进行充电. 由于电荷泵通常不具有BUCK充电IC的稳压功能，因此传统的充电IC仍可完成预充电和最终恒压充电阶段. 在恒流充电和恒压充电的初始阶段，手机需要协商USB头协议（或私有协议），以从充电头输出适当的电压，以与电荷泵配合进行恒流和恒压充电. 将充电头电压调整为电池电压的两倍时，电荷泵通常可以进行恒定电流和恒定电压充电. 下图显示了40W电荷泵快速充电的大致充电过程.

2019年2月，VIVO子品牌IQOO推出了44W电荷泵快速充电的高级版本，可在46分钟内为4000mAh电池充满电. 为了进一步提高高电流下电荷泵的效率，IQOO使用了两个BQ25970并联分流器，在降低机体热量的同时提高了效率. （实际上，IQOO和Mate20pro的最大充电功率约为36W，但是IQOO的最大功率充电时间比Mate20pro的最大充电时间长，而充满电所需的时间则更短. IQOO声称的44W功率更大. 表示与您的朋友比较. 充电效率更高. ）

快充-快充芯片的核心

快速充电解决方案的核心是快速充电芯片. 以恩智浦电荷泵快速充电解决方案为例，核心芯片一般包括手机和充电头两种，如下图所示.

移动电话芯片具有很高的可靠性要求，有时会集成其他电源管理功能（例如，Qualcomm Snapdragon套件中包括高通公司的充电IC，并提供给下游移动电话制造商），因此每个移动电话制造商仍会选择Qualcomm， TI等主要产品. 电荷泵技术相对困难，目前市场上有三款主要产品供手机制造商使用. TI的BQ25970出现率最高，包括VIVO和华为在内的许多产品都使用该IC. 第二个是高通针对小米9的新SMB1390，将来可能会在高通平台上使用. 再次是NXP的PCA9468，用于ASUS ROG Phone. 此外，Dialog和台湾力奇科技等多家制造商也已经推出了各自的电荷泵芯片.

对于电荷泵芯片，如何在大电流下继续提高其转换速率是关键. 可以相信，随着快速电荷泵的普及，电荷泵芯片必将在未来成为大型电源管理厂商无可争议的地方.

对于充电头上的芯片，各个方面的要求都比手机上的要求稍低，这为中小型制造商甚至初创企业提供了机会. 高通的手机芯片包含在高通的Snapdragon套中，充电头中的协议控制IC高通将被授权满足第三方制造商的标准. 到目前为止，高通已授权来自14个以上制造商的17种产品. 高通Q +许可证包括Cypress，Dialog，NXP，Diodes和其他国际制造商，以及台湾制造商，例如Xinla，Gengyuan，Yuqun，Jingtuo，Tianyu，Tongjia，Angbao和Weiquan. 目前，只有中国大陆的英吉信获得了高通的授权. 与高通类似，OPPO的低压快速充电解决方案在充电头协议控制IC上也使用了第三方授权方法. 当前的VOOC闪充充电证书包括上海南鑫科技，英吉信，珠海智荣科技和Rockchip.

与手机终端和电荷泵芯片的寡头垄断相比，充电头芯片的争议显然更具吸引力. 让我们在上面的NXP快速充电方案中放大充电头. 除了协议控制IC之外，充电头的其他核心器件还包括MOSFET，变压器，PWM控制IC，同步整流控制IC等. 作者认为，充电头芯片的发展存在三种趋势. 未来. 一是更高的稳压精度；二是更高的稳压精度. 第二是引入功率器件，例如氮化镓. 第三是更高的集成度.

1. 更高的电压调节精度. 更高的电压调节精度意味着更高的效率和更低的发热量. 高通公司在QC2.0时代仅支持5V，9V，12V，20V和其他四级电压调节. 在Q.0时代，电压调节范围已精炼到20mv.

2. 引入功率器件，例如氮化镓. 随着充电头的功率不断增加，其体积一直在增加. 如何减小充电头的体积也是快速充电未来发展的关键问题. 减小尺寸的答案在于引入功率器件，例如氮化镓和高频平板变压器. 氮化镓MOSFET的频率可以达到500K-1MHz，比原始的硅基MOSFET的频率高5-10倍. 较高的频率可使充电头中容量较大的电容器按指数比例收缩. 同时，氮化镓的更高效率显着减少了热量的产生. 使用较小的高频板式变压器，可以将44W充电头减小到传统的5W或10W充电头的大小相同，这大大提高了快速充电头的便携性.

3. 更高的集成度. 较小的体积必然意味着更高的集成度. IQOO的44W充电头中使用的台湾立Rich协议控制IC已集成了同步整流控制IC. 可能会出现集成协议控制IC，同步整流IC，氮化镓MOSFET，PWM控制IC和平板变压器的解决方案. PI（Power Integrations）已将主开关，主控制器和副控制器，检测元件以及FluxLink作为可选的光耦合器集成到了最近发布的LYTSwitch™-6系列LED驱动器IC的单个IC中. 将来，类似的高度集成的解决方案很可能会出现在手机上.

手机快速充电的局限性是什么？

如上所述，快速充电的核心是在恒流充电期间增加电流. 手机电池可以接受的充电电流有限制. 这里我们要介绍一个电池充放电C率的概念. 对于4000mAh的3C电池（旗舰手机中常用的电池），最大允许充电电流为4000mA * 3 = 12A，相当于理论上的最大充电功率60W. 但是实际上，经常以最大充电电流进行充电也会加速电池的老化并降低使用寿命，因此IQOO的44W已经接近3C电池的极限.

如果要继续增加功率并缩短充电时间，请使用更高的C速率电池或双电池解决方案（例如OPPO的Super VOOC闪光灯充电）. VIVO在今年发布的Super Flash Charge概念机中集成了上述方法. 它采用6C双电池串联方案，最大充电功率可达到120W，在5分钟内可充电50％，并在13分钟内即可为4000mAh手机充满电.

Apple最终将在2019年实现标准快速充电，但这可能仅仅是开始.

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