智能手機快速充電器淺論

東莞市奧海科技股份有限公司 郭修根

隨著智能手機功能越來越強大，智能手機不僅僅是一個簡單的通話工具，同時還是辦公工具、生活工具、娛樂工具、信息終端等，已經成為大多數人必不可少的電子設備。手機屏幕也越來越大，越來越清晰，帶給消耗者更好的使用體驗，與此同時，手機的耗電急劇增加，智能手機多采用一體化設計，不能更換電池，消耗者已經難以接受長達2h充電等待。為此，快速充電器應需而生。

1 快充的起緣——第一代快速充電器

在本世紀初，USB2.0協議規定外設從USB接口抽取電流的最大值為500mA，隨著智能手機的出現，500mA的充電電流將會使得手機充滿電的時間變的很長，于是，2010年，USB-IF下屬的BC(Battery Charging)小組發布了BC1.2標準，將充電電流最大擴展到5V 1.5A，一段時間內，滿足了消費者的需求。但當3000mAH以上電池的智能手機出現后，也有些消費者認為BC 1.2標準的充電時間也太長了，這個時候，知名手機芯片商Qualcomm（中文名：高通）在2013年推出QC1.0，充電電流擴展到5V 2A，突破了BC1.2的1.5A電流上限，充電速度提升40%，一時間，被各大手機廠商，如三星、谷歌、HTC、諾基亞等給采用，由此拉開了快充的序幕。

2 第二代快充——高壓快充

QC1.0確實給消費者帶來更好的充電體驗，消耗者越來越喜歡快速充電器，對充電速度的追求也越來越高，推動了快充技術的飛速發展，并由此引發了各手機方案商以及手機廠家快充之間的相互競賽。

在2015年以前的Android手機，充電接口多數采用Micro USB接口，理論上常規的Micro USB接口能承載的最大電流為2A，再增大電流，則有接口過熱的風險。因此，這個時候，5V2A就成了手機充電器的最大功率。然而，屏幕越來越大，電池越來越大，用戶希望充電的時候越來越短。于是，高通靈機一動，想了一個辦法，既然充電電流不能提高，那我們就提高充電電壓來提高充電功率，于是就有了QC2.0。

2014年，高通推出QC2.0，QC2.0電流還是2A，但把電壓提高到9V或12V（classB提高到20V，較少采用，不詳述），這個時候最大功率可以達到24W（當時的應用多數還是以12W和15W為主），充電速度較之10W提高了很多。很多人可能會疑問，9V給手機充電，不會燒壞手機嗎？實際上，此時手機內部充電電路，增加了一個直流降壓芯片，將輸入的9V電壓轉成了5V電壓，給到手機充電。為了不使9V充電燒壞不支持快充的手機，這個時候，高通就做了一個握手協議，只有充電器和手機握手后，才會輸出9V電壓，在未握手時，還是輸出默認的5V電壓，可以給到非快充的手機充電。得益于高通在手機市場的影響力，同時高通在其Snapdragon（中文名：驍龍）處理器中內置了握手協議，使用非常方便，QC2.0很快得到廣泛應用，LG、HTC、MOTOROLA、谷歌、樂視、小米等手機廠均有采用，與此同時，也有一些手機廠商，看到了這個商機，推出類似的充電協議，如華為的FCP、三星的AFC、MTK平臺的PE+等。這些協議，在細節上和QC2.0有些差異，但總的充電原理是類同的。額外說明一下，以上這些協議多數是采用USB的D+，D-來傳輸協議，只有MTK旗下的PE+是不需要D+，D-，直接采用Vbus和GND來傳輸協議，看上去更有優勢，但隨著MTK方案在手機廠商采用率不及高通，最終，MTK的PE+快充協議使用普及上也不如高通QC2.0。

在2015年高通又適時的推出了升級版的QC3.0，QC3.0相對于QC2.0將電壓精度提升到200mV一個階梯，在3.6～12V內連續可調，這樣的話可以選擇一個最適合手機內部降壓芯片工作的電壓，讓手機端降壓芯片發熱降至最低，溫度低則可以進一步提高充電電流，在此不細述這個工作過程，詳細的情形，可以參考《電子世界》2018年10月上拙作《淺談手機充電器的發展演變和未來發展趨勢》。QC3.0充電器最小功率被要求到18W，需要有6V3A的輸出能力（早期允許過6V2.5A），這個時候充電器端一般采用USBA接口，手機端一般采用Type C接口，可以支持到3A的電流，充電速度得到進一步的提升，但充電模式，和前面提到QC2.0，AFC，PE+等是類似的，在這個時候也出現很多兼容多家協議的充電器芯片，因為其工作原理基本類同，廠家只需要把多家協議放進去，在握手時進行選擇就可以了。略為說明一下，三星手機處理器一直采用雙平臺，即高通的驍龍和自研的Exynos，因此，三星的手機一般既支持自身的AFC制式充電器，也支持高通制式的QC制式充電器。

3 直充的先行者——VOOC

如上所述的高壓智能快充，在手機端會有一個降壓芯片，這個降壓芯片會有一定的損耗，產生熱量，眾所周知，電池是不能工作在高熱狀態下（一般認為應<60℃），所以熱量會限制充電的功率。在大家還在研究高壓快充的時候，有一家手機廠家就意識到這個問題，另辟蹊徑，采用了低壓大電流直充方式，不可不謂眼光獨到。2014年，手機廠家OPPO推出了VOOC1.0，該方案采用直充模式，即充電器的輸出直接加載到電池上，手機內部沒有電壓轉換電路，這樣手機端的發熱最小。電池充電時對加載在其上的電壓非常敏感，稍高的電壓都有可能導致電池壽命下降，甚至鼓包，造成安全隱患。因此，直充模式下要求充電器輸出電壓非常精準，達到幾十mV級。采用低壓直充的模式，不能提高充電器的輸出電壓，只能提高電流，在前面說到，通用的MicroUSB接口能通過的電流為2A，既然通用的不行，VOOC就采用定制的MicroUSB接口，在普通5PIN的MicroUSB接口上，兩邊分別增加一個PIN，變成7個PIN，共用4個PIN來傳輸Vbus和GND。電流提高到5A進行低壓直充，實現“充電5min，通話2h”。這種充電方式，功率增加到了25W，但手機本身的發熱卻很小，迅速的得到一些消費者的喜愛。但這種充電模式是一整套的定制方案，充電器，線材，手機都必須對應，如果有一個不配套，都不能進入到快充模式，電流也較大，對應充電器和線材成本相對也較高一些，加上一些專利保護的原因，其它的手機廠商，并沒有馬上跟進，繼續沿用本身也還不錯的QC2.0或QC3.0，對低壓直充處于觀望的態度。

4 集大成者——PD協議

PD（Power Deliver）協議其實在2012年就已經推出，PD的宗旨旨在統一所有供電設備的接口，統一所有的充電方式。因為標準PD必須要采用Type C接口進行電力傳輸和握手，那時候的手機多采用Micro USB接口，因此，在早期，并未被手機廠商所采納。Type C規范除了可以支持到更大功率充電外，數據的傳輸速度也較之以往的USB2.0有超過10倍的提升，這對大數據傳輸有非常大的幫助，因此，知名廠商蘋果以及谷歌率先在其筆記本電腦上采用了，帶動了筆記本電腦廠商PD的使用。2017年的時候，USB-IF在PD中提出了PPS（Programmable Power Supply）的概念，支持電流最大5A，功率最大100W，允許電壓從3.3～21V之間可調，且允許生產商在此范圍內自定義輸出電壓和電流，從這個定義看過去，目前所有快充的電壓電流幾乎都包含在內，這也正是USB-IF的初衷。此時，手機快充陣營朝著兩個方向在走：國外的手機廠商逐漸接受PD協議，在手機上開始采用，如蘋果、谷歌、三星、LG等；而國內的手機廠商，更多希望兼容之前的充電頭和充電線，故希望仍然在充電器端采用USBA的接口，所以在發展過程中，未立即切入到PD協議，仍然保留D+，D-通訊的模式，沿著這條道路，各廠家派生出各種不同的充電協議。

5 百花爭鳴——高壓直充的涌現

雖然QC3.0最大可以達到60W的功率（Class B等級），但前面提到，它的典型功率卻還是18W，這是因為如果功率再加大，手機內部的降壓電路發熱將非常嚴重，制約了充電器功率的進一步提高。如果要加大充電功率，手機端的降壓電路發熱必須減少才有可能實現。科技的發展，有由上而下和由下而上兩種方式，消耗者對充電速度的無限追求，推動了上游器件的發展。2017年，電荷泵(charge pump)開始在手機充電系統上應用。電荷泵也稱為開關電容式電壓變換器，與傳統采用電感作為儲能元件的電感式開關變換器相比，他只能得到一定比例的電壓，例1/2倍、2倍、3倍等。但因為里面沒有高速電磁變換，因此它有更高的效率。手機端通常采用1/2倍的電荷泵，效率可以高達98%。手機電池電壓最大為4.2V(也有采用4.35V的，原理相同，不贅述)，電荷泵的作用是將輸入的電壓減半，對應電流則加倍，因此，在電荷泵的輸入端電壓就必須達到8.4V以上，考慮到手機端的一些線路損耗，通常供給搭配了電荷泵手機的快充，充電器輸出電壓一般標稱為10V，電流大的，考慮到更大的回路損耗，標稱11V。這也就是目前一些10V2.25A，11V5A充電器的由來。這類充電器，雖然電壓并不是直接加載在電池上，但因為電荷泵只是一個半壓轉換，并不影響輸入電壓電流的精度，整個充電原理同直充是類同的，因此我們一般稱之為高壓直充。雖然這種充電模式，手機端還是會有降壓損耗，但因為電荷泵的效率高達98%，這一點損耗還小過于大電流時的線路損耗，以低壓直充5V5A和高壓直充10V2.5A相比，后者的系統損耗會更優于前者，且采用的器件需要的電流應力會更低，傳輸線也可以細很多，成本和安全性都會更好，因此，這類的快充，迅速得到國內手機廠商采用。

因為充電器的電壓為非常規的5V，且功率也加大的很多，手機充電的安全問題顯得尤為重要，為了防止自己的手機被充壞，國內手機廠商都設置了自己握手協議，例如華為的SCP、vivo的Flash-Charge、OPPO的VOOC3等等，小米也采用類似的模式，只是沒有對其快充方式命名。私有協議的出現，對整個充電系統的安全性確實有提高，握手不成功的配件都不會進入快充模式。但也帶來一個缺點：相互之間不能通用，即各品牌的手機，要實現快充模式，必須采用自家的充電器，換用其它品牌的充電器，進入不了快充模式，只能以最基礎的5V2A充電。

6 一往直前——充電功率的迅速增大

2014年QC2.0剛出來時，消費者對它的充電速度用“驚訝”一詞來形容并不為過，由此也引發了安卓陣營手機充電速度的競賽，幾年下來，充電器的功率由18W上升到30W，上升到45W，上升到65W，甚至目前上升到120W。充電時間也由原來的90min降到60min，再降到30min，再降到15min。曾經的充電5min，通話2h變成充電5min，開黑2h，變成充電5min，娛樂5h。目前120W的充電器，充滿總容量4000mAH的電池，只需要15min，充到一半，僅需要5min，這無疑對手機頻次使用高的商務人士和游戲發燒友，有巨大的吸引力，遇到差旅時，只需要充電5min，就能充到50%，滿足半天以上的需求，對于惜時如金的高端商務人士，將是一個最好的支持。目前高功率的充電系統，基本都是采用高壓直充的模式。只是，為了加大功率對電荷泵進行了并聯處理，對電池進行了串聯處理。舉例目前120W的手機充電系統，手機端采用了兩個或三個并聯的電荷泵，采用兩塊6C 2000mAH的電池串聯，充電器端輸出20V6A的功率給到手機，經過電荷泵后轉換成10V12A，然后分壓在兩塊電池上，每塊電池承擔5V12A的充電功率，如圖1所示。

圖1

7 GaN材料小型化及峰值功率的巧妙應用

手機充電器是一個使用頻次很高的電子配件，所以消費者都希望它有個小的體積，方便于攜帶。然而，充電器的功率卻在逐漸增大，同等條件下，功率和體積是成正比關系。因此，在市場驅動下，各個充電器廠商都在研究小外形充電器。要減小充電器的體積，常見兩種辦法：—是提高充電器的效率；二是減小充電器內部元件的體積。這個時候，一些高端功率器件，如CoolMOS，GaN開始應用，這類器件，本身有著較低的損耗，同時，也支持更高的頻率，CoolMOS能支持200KHz左右的頻率，而GaN器件可以支持到500KHz甚至1MHz的開關頻率，能夠將產品體積大大縮小，采用這類器件的電源，65W的充電器外形體積和以前的30W相當，極大的滿足了消費者便攜性的需求。除了靠電源的技術提升來減小尺寸外，還有其它的辦法嗎？睿智的廠家，從產品的應用上想到了一個絕佳的解決方案。多數人對充電速度的需求，表現在希望短的時間內，能夠充到一部分電量，滿足應急的需求。譬如，你現在要出差了，但發現手機沒電，這個時候你希望能在5min之內，充到25%以上的電量，滿足你臨時出差的需求。基于此，廠家提出峰值功率的概念，如65W的手機充電器，在接上的5min內，采用滿功率充電，能迅速的充入27%的電量，而后，手機和充電器會溝通，通過計時和溫度等各種條件綜合評估，將功率降至35W（大概值）來進行充電。這樣做的一個好處，因為是瞬時高功率，產品發熱未達到最高點，功率就降下來了，相對于長時間滿功率充電，充電器的溫升就會低很多，這樣整個產品的體積會做到和35W充電器相當，但又能享受到短時間的高功率充電，確實是個非常巧妙的應用，目前華為、vivo、OPPO、小米在高端旗艦機型上，均有采用這樣的設計，這類產品，一般在產品銘牌上功率后面會標有Max字樣。

8 不甘落后的Qualcomm

2017年后，高通的QC3.0雖然還在廣泛使用，但高端機型卻已經開始轉用高壓直充或者PD協議，高通快充老大哥的位置逐漸不保，雖然在2016年的時候，高通就已經強勢推出了QC4.0，也將典型功率拉到了27W，但手機廠商好像并不感冒，只有為數不多的廠商如錘子、努比亞等采用，顯得雞肋。QC4.0本身兼容PD，更多的人認為，它只是在PD基礎上加入了一些高通定制化的東西。如上文提到，國外的手機廠商更愿意采用影響力更廣的PD協議，而國內的手機廠商則不愿意換成Type C接口，同時認為直充更有優勢，開始轉向定制化私有協議的直充。作為全球最大的手機方案商，高通顯然不甘落后，于是，在2020年推出了QC3+和QC5，用來搶戰中高端市場。很多人肯定會奇怪，高通都已經有QC4.0了，為什么又會退回來一個QC3+。其實，QC3+是個非常符合中國特色的快充協議，實則是Q3.0和高壓直充的一個結合體。前面說到，中國的手機廠商，為了兼容舊的充電頭和充電線，充電器端沒有立即切換到Type C接口，仍然采用早年的USBA，QC3+就是采用傳統USBA的D+，D-來進行握手，但相對QC3.0而言，它把電壓的步進由原來的200mV提升至20mV，這樣就可以實現直充充電，而相對于QC4.0或者PD而言，它的協議又相對簡單，目前SOT23-6的封裝即能裝下，芯片廠商英集芯，偉詮均有相應的芯片，這樣的話，相對于QC3.0的芯片而言，成本增加極少，但卻能實現直充。高通最早支持QC3+的芯片組是驍龍765和765G，現在6系列的都已經開始支持（備注：高通高端的為8系列，也支持QC3+），一個新的協議，并不是在最高端機型上首發，而是兼容到高中端機型，這在高通的快充史上，還是第一次，由此可以看出，高通是希望能藉以這套最具性價比的充電方案，重新加大市場占有率。再來說說QC5，QC5官方的宣稱支持100W+的功率，支持雙充技術（雙電池充電），其實就是類似上圖所示的120W充電原理，用于手機超大功率充電的一個協議。高通在2020年強勢推出“紫青雙劍”--QC3+和QC5，希冀借此重返手機快充充電霸主的寶座。

9 快速無線充電器的發展

手機無線充電的應用，早在10年代初NOKIA，Plam等廠商就已經開始嘗試，無線充電有著非常好的體驗，但因為充電速度及成本的問題，當時并未普及。直至2017年蘋果支持無線充電的iPhone8系列發布，再次帶動這個行業的發展。而早在2008年，WPC（Wireless Power Consortium）協會就開始制訂無線充電標準，目前手機無線充電基本都遵循WPC下的Qi協議，這給消費者帶來很大的便利性：只要符合Qi協議的無線充電器都能給你的手機充電。目前越來越多的手機品牌都在發布支持無線充電的手機，如蘋果、魅族、華為、OPPO、小米、三星等。但目前Qi協議只定義最大15W（EPP）的功率，很顯然，這個充電功率難以讓用戶滿意，為了得到更好的體驗，手機廠商正在逐漸提升無線充的充電功率，30W已然成為一個主流，65W的無線充也開始出現。因為已經超出EPP范圍，各家只能搭載自己的私有協議，那么，只有標配自家的無線充電器，才能支持超過15W的充電功率；而在搭配非自家的充電器時，最大只能實現15W的充電功率，通常為10W左右。基于此，WPC也正在考慮增加Qi協議定義的最大功率。另外，高通也看到了無線充這塊發展的勢頭，推出了QC-Wireless的認證，這個認證是考量無線充搭配QC充電器的能力，認證無線充輸入端QC協議的兼容性。因為目前很多手機配備的還是QC充電器，且市場上也有不少存量，如果能夠直接用QC充電器給到無線充發射端供電，那么無線充就不需要另外配一個適配器，這也是對能源的一種節約。但隨意的搭配，又可能產生危險，高通適時在這個時候推出QC-Wireless認證，對支持QC的無線充也是一個保障。

10 不緊不慢的蘋果

作為安卓陣營之外的蘋果，手機一直走在高科技及創新的前沿，但在充電這一塊，卻一直不緊不慢，自始至終標配的都是5V1A的充電頭，時至今日。也有細心的消費者發現，其實在2014年發布的iPhone6 Plus可以支持約5V2A的充電，在2017年發布的iPhone 8系列，可以支持到9V2A的PD充電，在2020年，蘋果將充電頭的功率升級到了20W，這是目前蘋果手機充電器的最大功率，相對于安卓陣營的65W甚至120W充電頭而言，功率確實難以比肩。蘋果是基于更安全選擇了保守還是準備厚積薄發，我們不得而知，也不去妄自揣度，更多期待蘋果有新的科技出現。