快，就是效率！走進(jìn)手機快充的世界！

原標(biāo)題：快，就是效率！走進(jìn)手機快充的世界！

據(jù)稱，2019年的新iPhone終于要拋棄祖?zhèn)鞯奈甯Ｒ话玻?V/1A）的充電頭了。畢竟如果你用標(biāo)配的“五福一安”給你的iPhoneXs Max充電要210分鐘才能充滿。而別人家的孩子安卓的最好成績普遍在一小時之內(nèi)。

當(dāng)然別人家的孩子的成績也不是一天提高的，自2013年高通推出QC快充 (Quick Charge)之后，安卓快充技術(shù)的發(fā)展便駛上了一條快車道，各類技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)層出不窮，手機的充電時間不斷刷新極限。在搞清快充之前我們首先要知道電池是怎么充電的。

鋰電池充電一般經(jīng)過預(yù)充電、恒流充電和恒壓充電3個階段。在預(yù)充電階段電池電壓低、活性差、內(nèi)阻較大，只能接受較小的充電電流；隨著電池電壓的上升，電池活性變強，內(nèi)阻變小，可以接受較大的充電電流（電池容量的70%基本上都是在恒流階段充得的）；當(dāng)電池電壓上升至截止電壓附近時，系統(tǒng)電壓便不再上升，充電電流自動減少，直至電池充滿。

手機用檢測到的電池電壓來顯示剩余電量，如電池電壓為4.4V時表示電量為100%，電壓為3.6V時表示電量為0%，手機自動關(guān)機。

如何實現(xiàn)快充？

充電時間=電池容量/充電電流*系數(shù)，縮短充電時間最直接的方法就是增加恒流充電電流。想要提高電流，充電頭的輸出功率（手機的輸入功率）就要提高。所以近年來手機充電頭的輸出功率從5W、10W、18W一路提升至，VIVO更是在9012年發(fā)布了120W快充技術(shù)。

那么如何提高充電頭輸出功率？ 功率P=U*I，提高功率要么提高電壓，要么提高電流，要么兩者同時提高。業(yè)界因此先后演化出了高壓快充、低壓快充、電荷泵快充三種方案。

1.高壓快充

2013年高通發(fā)布QC1.0，將充電功率率先提升至9W（5V/1.8A），轉(zhuǎn)年推出進(jìn)階版QC2.0，進(jìn)一步提升充電功率至18W（9V/2A或12V/1.5A），從此奠定了自己在高壓快充領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者的地位。

高通選擇高壓快充方案其實是有原因的。在2014年前后，那時安卓手機的主流充電接口還是MicroB，而MicroB支持的最大充電電流為2A。作為一家第三方供應(yīng)商，高通在MicroB接口基礎(chǔ)上要繼續(xù)提高充電功率就只有提高充電電壓這一條路。

另外，高壓快充方案實現(xiàn)起來相對容易，成本提升不明顯，不用更換接口及充電線，終端客戶較容易接受，符合高通作為“平臺”的定位。 但高壓快充方案存在一個嚴(yán)重的問題——發(fā)熱。充電頭輸出的9V/12V電壓進(jìn)入手機后會被手機中的充電IC進(jìn)行二次降壓。

在降低電壓提高電流的過程中，傳統(tǒng)BUCK類充電IC的轉(zhuǎn)換效率只有89%，能量的損耗會帶來嚴(yán)重的發(fā)熱（18W快充僅在充電IC上就會有1.96W的熱損），且這種現(xiàn)象會隨著充電功率的進(jìn)一步提高變得更加嚴(yán)重。

2.低壓快充

“充電五分鐘，通話兩小時”，2014年OPPO推出了VOOC閃充22.5W（5V/4.5A）低壓快充技術(shù)。由于低壓快充直接提高了充電電流，不需要進(jìn)行電壓的二次轉(zhuǎn)換，因此很好的解決了高壓快充發(fā)熱的問題，也使得“邊充邊玩”成為了可能。

為了解決MicroB接口無法承接大電流、傳統(tǒng)線材寄生電阻過大等的問題，OPPO專門為VOOC閃充定制了充電接口、充電線及充電頭。

作為一家手機廠商，OPPO可以自由定義自家手機的配置，且不用考慮兼容性的問題。這也是OPPO有別于高通，推出低壓快充方案的主要原因。

雖然低壓快充很好的解決了高壓快充二次降壓帶來的發(fā)熱問題，但在繼續(xù)提升充電功率這條路上低壓快充也面臨諸多挑戰(zhàn)，不斷提高的電流對流經(jīng)的各類元器件都是一種考驗，線材和接口的熱損會變大，整個系統(tǒng)的功耗也會成倍增加，相應(yīng)的定制成本也越來越高。

繼續(xù)提高充電功率，高電壓和高電流看來都是必須的，而高電壓和高電流所面臨的共同敵人就是發(fā)熱，發(fā)熱的一個主要原因就在于充電IC的熱損，TI曾經(jīng)做過計算，同樣的熱損下，效率增加2.5%，充電電流可以提升27%。因此提高充電IC效率就成為了快充進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

3.電荷泵快充

電荷泵是一種無感式DC-DC轉(zhuǎn)換器，他利用電容作為儲能元件進(jìn)行電壓變換，可以使電壓減半同時使電流增倍。且其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到97%左右，遠(yuǎn)高于普通充電IC的89%。這使得電荷泵在60W充電時的熱損比普通充電IC 18W充電時的熱損還要低，如此低的發(fā)熱解決了高壓快充的瓶頸，使得超高功率快充成為了可能。

另外，標(biāo)準(zhǔn)的Type-C接口支持3A的電流，而在USB PD協(xié)議下可支持最高達(dá)100W的充電功率（20V/5A），Type-C接口的大規(guī)模普及也提高了電荷泵快充的兼容性。

基于電荷泵技術(shù)，魅族在2017年MWC發(fā)布了Super mCharge 55W快充概念機一戰(zhàn)成名，TI隨即推出了BQ25970這顆量產(chǎn)版的電荷泵。原本在40W快充上計劃使用5V/8A的華為，果斷在2018年換為10V/4A電荷泵方案，并在Mate20pro上應(yīng)用。（而魅族至今由于各種原因仍未量產(chǎn)55W快充，其最新旗艦16s pro只配備24W快充。）

當(dāng)然電荷泵也不是萬能的，其需要配合傳統(tǒng)充電IC與充電頭中的協(xié)議控制IC一同給手機充電。由于電荷泵一般不具備BUCK類充電IC穩(wěn)壓的功能，因此預(yù)充電和最后的恒壓充電階段還是由傳統(tǒng)充電IC完成。而在恒流充電和恒壓充電初段，需要手機端通過USB PD協(xié)議（或私有協(xié)議）來協(xié)商充電頭輸出合適的電壓配合電荷泵進(jìn)行恒流恒壓充電。當(dāng)充電頭電壓調(diào)節(jié)到電池電壓的2倍時，電荷泵就能正常的進(jìn)行恒流恒壓充電。40W電荷泵快充大致充電過程如下圖所示。

2019年2月，VIVO子品牌IQOO推出了進(jìn)階版的44W電荷泵快充，46分鐘即可充滿4000mAh的電池。為進(jìn)一步提高電荷泵在大電流下的效率，IQOO采用了兩顆BQ25970并聯(lián)分流的方式，在提高效率的同時減少機身發(fā)熱。（其實IQOO與Mate20pro充電最大功率均為36W左右，但I(xiàn)QOO的最大功率充電時間較Mate20pro更長，全部充滿所需時間更短。IQOO所標(biāo)稱44W更多的是為了表示其與友商相比充電效率更高罷了。）

快充的核心——快充芯片

快充方案的核心在于快充芯片，以NXP的電荷泵快充方案為例，核心芯片一般包含手機端的和充電頭端兩類，具體如下圖所示。

手機端的芯片可靠性要求高，且有時會集成其他電源管理功能（如高通的充電IC是包含在高通驍龍?zhí)灼幸黄鹛峁┙o下游手機廠商的），故各手機廠商還是會選用高通、TI等大廠的產(chǎn)品。電荷泵技術(shù)難度相對較高，目前市面上主要有3款產(chǎn)品被手機廠商采用。

出鏡率最高的為TI的BQ25970，包括VIVO和華為的多款產(chǎn)品均采用這顆IC。其次為高通新推出的用于小米9的SMB1390，未來可能在高通平臺大規(guī)模使用。

再次為NXP的PCA9468,用于華碩ROG Phone。另外，包括Dialog、臺灣立琦科技等多家廠商也相繼推出了各自的電荷泵芯片。

對于電荷泵芯片，如何繼續(xù)提高其在大電流下的轉(zhuǎn)化率是關(guān)鍵。相信隨著電荷泵快充的普及，電荷泵芯片未來一定會成為各大電源管理廠商的必爭之地。 而對于充電頭端的芯片，各方面要求較手機端略低，對中小廠商甚至初創(chuàng)公司都是機會。高通手機端的芯片是包含在高通驍龍?zhí)灼?，而充電頭中的協(xié)議控制IC高通會授權(quán)給符合標(biāo)準(zhǔn)的第三方廠商生產(chǎn)。

截止目前高通已經(jīng)授權(quán)了超過14家廠商的17款產(chǎn)品，拿到高通QC4+授權(quán)的包括Cypress、Dialog、NXP、Diodes等國際廠商，以及芯籟、耕源、鈺群、精拓、天鈺、通嘉、昂寶、偉詮等臺灣廠商。目前大陸只有英集芯一家拿到高通授權(quán)。

與高通相似，OPPO的低壓快充方案在充電頭端協(xié)議控制IC也采用向第三方授權(quán)的方式。目前拿到VOOC閃充認(rèn)證的包括上海南芯科技、英集芯、珠海智融科技和瑞芯微電子等。 相較于手機端與電荷泵芯片的寡頭壟斷，充電頭端芯片的百家爭鳴顯然更有看點。

讓我們把上圖NXP快充方案中的充電頭放大來看，充電頭端除協(xié)議控制IC外，其余核心器件還包括MOSFET、變壓器、PWM控制IC、同步整流控制IC等。 筆者認(rèn)為未來充電頭端芯片發(fā)展的趨勢有三個，一是更高的調(diào)壓精度；二是氮化鎵等功率器件的引入；三是更高的集成度。

1.更高的調(diào)壓精度。

更高的調(diào)壓精度意味著更高的效率及更低發(fā)熱。高通在QC2.0時代還只是支持5V、9V、12V、20V等4檔調(diào)壓，到QC4.0時代，已經(jīng)將電壓調(diào)節(jié)幅度細(xì)化為20mv一檔。

2.氮化鎵等功率器件的引入。

隨著充電頭功率的不斷提升，其體積也在一直增大，如何減小充電頭體積也是快充未來發(fā)展的一個關(guān)鍵性問題。而體積減小的答案就在于氮化鎵等功率器件及高頻平板變壓器的引入。氮化鎵MOSFET頻率可達(dá)500K-1MHz，較原有硅基MOSFET頻率提高5-10倍。更高的頻率使得在充電頭中體積占比較大的電容可以成倍縮小，同時氮化鎵更高的效率大幅減少了發(fā)熱，配合體積更小的高頻平板變壓器可以把44W的充電頭縮小至傳統(tǒng)5W或10W充電頭差不多的體積，從而極大的提升快充充電頭的便攜性。

3.更高的集成度。

更小的體積必然意味著更高的集成度。在IQOO的44W充電頭中采用的臺灣立锜科技的協(xié)議控制IC已經(jīng)整合了同步整流控制IC。集成協(xié)議控制IC、同步整流IC、氮化鎵MOSFET、PWM控制IC及平板變壓器的方案可能會出現(xiàn)。PI（Power Integrations）在近日發(fā)布的LYTSwitch?-6系列LED驅(qū)動IC中同時將初級開關(guān)、初級和次級控制器以及檢測元件和替代光耦的FluxLink集成到了單個IC中。未來類似的高集成度方案極有可能出現(xiàn)在手機上。

手機快充的極限在哪里？

上文提到，快充的核心在于提高恒流充電時的電流，手機電池能夠接受的充電電流是存在極限的。這里要引入一個電池充放電C率的概念。對于一個4000mAh 3C的電池（目前旗艦手機普遍采用的電池），其允許的最大充電電流為4000mA*3=12A，對應(yīng)理論最大充電功率為60W。但是實際上，經(jīng)常以最大充電電流進(jìn)行充電也會加速電池的老化，減少使用壽命，因此IQOO的44W已經(jīng)接近3C電池的極限了。

如果想要繼續(xù)提高功率縮短充電時間，要么采用更高C率的電芯，要么就是上雙電芯方案（如OPPO的Super VOOC閃充）。VIVO在今年發(fā)布的Super Flash Charge概念機中便是綜合了上述方法。其采用6C雙電芯串聯(lián)方案，最大充電功率可達(dá)120W，5分鐘充電50%，13分鐘即可充滿一部4000mAh的手機。 蘋果在2019年終于要標(biāo)配快充了，但這僅僅可能只是一個開始。

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