智能手机快速充电器浅论

东莞市奥海科技股份有限公司 郭修根

随着智能手机功能越来越强大，智能手机不仅仅是一个简单的通话工具，同时还是办公工具、生活工具、娱乐工具、信息终端等，已经成为大多数人必不可少的电子设备。手机屏幕也越来越大，越来越清晰，带给消耗者更好的使用体验，与此同时，手机的耗电急剧增加，智能手机多采用一体化设计，不能更换电池，消耗者已经难以接受长达2h充电等待。为此，快速充电器应需而生。

1 快充的起缘——第一代快速充电器

在本世纪初，USB2.0协议规定外设从USB接口抽取电流的最大值为500mA，随着智能手机的出现，500mA的充电电流将会使得手机充满电的时间变的很长，于是，2010年，USB-IF下属的BC(Battery Charging)小组发布了BC1.2标准，将充电电流最大扩展到5V 1.5A，一段时间内，满足了消费者的需求。但当3000mAH以上电池的智能手机出现后，也有些消费者认为BC 1.2标准的充电时间也太长了，这个时候，知名手机芯片商Qualcomm（中文名：高通）在2013年推出QC1.0，充电电流扩展到5V 2A，突破了BC1.2的1.5A电流上限，充电速度提升40%，一时间，被各大手机厂商，如三星、谷歌、HTC、诺基亚等给采用，由此拉开了快充的序幕。

2 第二代快充——高压快充

QC1.0确实给消费者带来更好的充电体验，消耗者越来越喜欢快速充电器，对充电速度的追求也越来越高，推动了快充技术的飞速发展，并由此引发了各手机方案商以及手机厂家快充之间的相互竞赛。

在2015年以前的Android手机，充电接口多数采用Micro USB接口，理论上常规的Micro USB接口能承载的最大电流为2A，再增大电流，则有接口过热的风险。因此，这个时候，5V2A就成了手机充电器的最大功率。然而，屏幕越来越大，电池越来越大，用户希望充电的时候越来越短。于是，高通灵机一动，想了一个办法，既然充电电流不能提高，那我们就提高充电电压来提高充电功率，于是就有了QC2.0。

2014年，高通推出QC2.0，QC2.0电流还是2A，但把电压提高到9V或12V（classB提高到20V，较少采用，不详述），这个时候最大功率可以达到24W（当时的应用多数还是以12W和15W为主），充电速度较之10W提高了很多。很多人可能会疑问，9V给手机充电，不会烧坏手机吗？实际上，此时手机内部充电电路，增加了一个直流降压芯片，将输入的9V电压转成了5V电压，给到手机充电。为了不使9V充电烧坏不支持快充的手机，这个时候，高通就做了一个握手协议，只有充电器和手机握手后，才会输出9V电压，在未握手时，还是输出默认的5V电压，可以给到非快充的手机充电。得益于高通在手机市场的影响力，同时高通在其Snapdragon（中文名：骁龙）处理器中内置了握手协议，使用非常方便，QC2.0很快得到广泛应用，LG、HTC、MOTOROLA、谷歌、乐视、小米等手机厂均有采用，与此同时，也有一些手机厂商，看到了这个商机，推出类似的充电协议，如华为的FCP、三星的AFC、MTK平台的PE+等。这些协议，在细节上和QC2.0有些差异，但总的充电原理是类同的。额外说明一下，以上这些协议多数是采用USB的D+，D-来传输协议，只有MTK旗下的PE+是不需要D+，D-，直接采用Vbus和GND来传输协议，看上去更有优势，但随着MTK方案在手机厂商采用率不及高通，最终，MTK的PE+快充协议使用普及上也不如高通QC2.0。

在2015年高通又适时的推出了升级版的QC3.0，QC3.0相对于QC2.0将电压精度提升到200mV一个阶梯，在3.6～12V内连续可调，这样的话可以选择一个最适合手机内部降压芯片工作的电压，让手机端降压芯片发热降至最低，温度低则可以进一步提高充电电流，在此不细述这个工作过程，详细的情形，可以参考《电子世界》2018年10月上拙作《浅谈手机充电器的发展演变和未来发展趋势》。QC3.0充电器最小功率被要求到18W，需要有6V3A的输出能力（早期允许过6V2.5A），这个时候充电器端一般采用USBA接口，手机端一般采用Type C接口，可以支持到3A的电流，充电速度得到进一步的提升，但充电模式，和前面提到QC2.0，AFC，PE+等是类似的，在这个时候也出现很多兼容多家协议的充电器芯片，因为其工作原理基本类同，厂家只需要把多家协议放进去，在握手时进行选择就可以了。略为说明一下，三星手机处理器一直采用双平台，即高通的骁龙和自研的Exynos，因此，三星的手机一般既支持自身的AFC制式充电器，也支持高通制式的QC制式充电器。

3 直充的先行者——VOOC

如上所述的高压智能快充，在手机端会有一个降压芯片，这个降压芯片会有一定的损耗，产生热量，众所周知，电池是不能工作在高热状态下（一般认为应<60℃），所以热量会限制充电的功率。在大家还在研究高压快充的时候，有一家手机厂家就意识到这个问题，另辟蹊径，采用了低压大电流直充方式，不可不谓眼光独到。2014年，手机厂家OPPO推出了VOOC1.0，该方案采用直充模式，即充电器的输出直接加载到电池上，手机内部没有电压转换电路，这样手机端的发热最小。电池充电时对加载在其上的电压非常敏感，稍高的电压都有可能导致电池寿命下降，甚至鼓包，造成安全隐患。因此，直充模式下要求充电器输出电压非常精准，达到几十mV级。采用低压直充的模式，不能提高充电器的输出电压，只能提高电流，在前面说到，通用的MicroUSB接口能通过的电流为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，两边分别增加一个PIN，变成7个PIN，共用4个PIN来传输Vbus和GND。电流提高到5A进行低压直充，实现“充电5min，通话2h”。这种充电方式，功率增加到了25W，但手机本身的发热却很小，迅速的得到一些消费者的喜爱。但这种充电模式是一整套的定制方案，充电器，线材，手机都必须对应，如果有一个不配套，都不能进入到快充模式，电流也较大，对应充电器和线材成本相对也较高一些，加上一些专利保护的原因，其它的手机厂商，并没有马上跟进，继续沿用本身也还不错的QC2.0或QC3.0，对低压直充处于观望的态度。

4 集大成者——PD协议

PD（Power Deliver）协议其实在2012年就已经推出，PD的宗旨旨在统一所有供电设备的接口，统一所有的充电方式。因为标准PD必须要采用Type C接口进行电力传输和握手，那时候的手机多采用Micro USB接口，因此，在早期，并未被手机厂商所采纳。Type C规范除了可以支持到更大功率充电外，数据的传输速度也较之以往的USB2.0有超过10倍的提升，这对大数据传输有非常大的帮助，因此，知名厂商苹果以及谷歌率先在其笔记本电脑上采用了，带动了笔记本电脑厂商PD的使用。2017年的时候，USB-IF在PD中提出了PPS（Programmable Power Supply）的概念，支持电流最大5A，功率最大100W，允许电压从3.3～21V之间可调，且允许生产商在此范围内自定义输出电压和电流，从这个定义看过去，目前所有快充的电压电流几乎都包含在内，这也正是USB-IF的初衷。此时，手机快充阵营朝着两个方向在走：国外的手机厂商逐渐接受PD协议，在手机上开始采用，如苹果、谷歌、三星、LG等；而国内的手机厂商，更多希望兼容之前的充电头和充电线，故希望仍然在充电器端采用USBA的接口，所以在发展过程中，未立即切入到PD协议，仍然保留D+，D-通讯的模式，沿着这条道路，各厂家派生出各种不同的充电协议。

5 百花争鸣——高压直充的涌现

虽然QC3.0最大可以达到60W的功率（Class B等级），但前面提到，它的典型功率却还是18W，这是因为如果功率再加大，手机内部的降压电路发热将非常严重，制约了充电器功率的进一步提高。如果要加大充电功率，手机端的降压电路发热必须减少才有可能实现。科技的发展，有由上而下和由下而上两种方式，消耗者对充电速度的无限追求，推动了上游器件的发展。2017年，电荷泵(charge pump)开始在手机充电系统上应用。电荷泵也称为开关电容式电压变换器，与传统采用电感作为储能元件的电感式开关变换器相比，他只能得到一定比例的电压，例1/2倍、2倍、3倍等。但因为里面没有高速电磁变换，因此它有更高的效率。手机端通常采用1/2倍的电荷泵，效率可以高达98%。手机电池电压最大为4.2V(也有采用4.35V的，原理相同，不赘述)，电荷泵的作用是将输入的电压减半，对应电流则加倍，因此，在电荷泵的输入端电压就必须达到8.4V以上，考虑到手机端的一些线路损耗，通常供给搭配了电荷泵手机的快充，充电器输出电压一般标称为10V，电流大的，考虑到更大的回路损耗，标称11V。这也就是目前一些10V2.25A，11V5A充电器的由来。这类充电器，虽然电压并不是直接加载在电池上，但因为电荷泵只是一个半压转换，并不影响输入电压电流的精度，整个充电原理同直充是类同的，因此我们一般称之为高压直充。虽然这种充电模式，手机端还是会有降压损耗，但因为电荷泵的效率高达98%，这一点损耗还小过于大电流时的线路损耗，以低压直充5V5A和高压直充10V2.5A相比，后者的系统损耗会更优于前者，且采用的器件需要的电流应力会更低，传输线也可以细很多，成本和安全性都会更好，因此，这类的快充，迅速得到国内手机厂商采用。

因为充电器的电压为非常规的5V，且功率也加大的很多，手机充电的安全问题显得尤为重要，为了防止自己的手机被充坏，国内手机厂商都设置了自己握手协议，例如华为的SCP、vivo的Flash-Charge、OPPO的VOOC3等等，小米也采用类似的模式，只是没有对其快充方式命名。私有协议的出现，对整个充电系统的安全性确实有提高，握手不成功的配件都不会进入快充模式。但也带来一个缺点：相互之间不能通用，即各品牌的手机，要实现快充模式，必须采用自家的充电器，换用其它品牌的充电器，进入不了快充模式，只能以最基础的5V2A充电。

6 一往直前——充电功率的迅速增大

2014年QC2.0刚出来时，消费者对它的充电速度用“惊讶”一词来形容并不为过，由此也引发了安卓阵营手机充电速度的竞赛，几年下来，充电器的功率由18W上升到30W，上升到45W，上升到65W，甚至目前上升到120W。充电时间也由原来的90min降到60min，再降到30min，再降到15min。曾经的充电5min，通话2h变成充电5min，开黑2h，变成充电5min，娱乐5h。目前120W的充电器，充满总容量4000mAH的电池，只需要15min，充到一半，仅需要5min，这无疑对手机频次使用高的商务人士和游戏发烧友，有巨大的吸引力，遇到差旅时，只需要充电5min，就能充到50%，满足半天以上的需求，对于惜时如金的高端商务人士，将是一个最好的支持。目前高功率的充电系统，基本都是采用高压直充的模式。只是，为了加大功率对电荷泵进行了并联处理，对电池进行了串联处理。举例目前120W的手机充电系统，手机端采用了两个或三个并联的电荷泵，采用两块6C 2000mAH的电池串联，充电器端输出20V6A的功率给到手机，经过电荷泵后转换成10V12A，然后分压在两块电池上，每块电池承担5V12A的充电功率，如图1所示。

图1

7 GaN材料小型化及峰值功率的巧妙应用

手机充电器是一个使用频次很高的电子配件，所以消费者都希望它有个小的体积，方便于携带。然而，充电器的功率却在逐渐增大，同等条件下，功率和体积是成正比关系。因此，在市场驱动下，各个充电器厂商都在研究小外形充电器。要减小充电器的体积，常见两种办法：—是提高充电器的效率；二是减小充电器内部元件的体积。这个时候，一些高端功率器件，如CoolMOS，GaN开始应用，这类器件，本身有着较低的损耗，同时，也支持更高的频率，CoolMOS能支持200KHz左右的频率，而GaN器件可以支持到500KHz甚至1MHz的开关频率，能够将产品体积大大缩小，采用这类器件的电源，65W的充电器外形体积和以前的30W相当，极大的满足了消费者便携性的需求。除了靠电源的技术提升来减小尺寸外，还有其它的办法吗？睿智的厂家，从产品的应用上想到了一个绝佳的解决方案。多数人对充电速度的需求，表现在希望短的时间内，能够充到一部分电量，满足应急的需求。譬如，你现在要出差了，但发现手机没电，这个时候你希望能在5min之内，充到25%以上的电量，满足你临时出差的需求。基于此，厂家提出峰值功率的概念，如65W的手机充电器，在接上的5min内，采用满功率充电，能迅速的充入27%的电量，而后，手机和充电器会沟通，通过计时和温度等各种条件综合评估，将功率降至35W（大概值）来进行充电。这样做的一个好处，因为是瞬时高功率，产品发热未达到最高点，功率就降下来了，相对于长时间满功率充电，充电器的温升就会低很多，这样整个产品的体积会做到和35W充电器相当，但又能享受到短时间的高功率充电，确实是个非常巧妙的应用，目前华为、vivo、OPPO、小米在高端旗舰机型上，均有采用这样的设计，这类产品，一般在产品铭牌上功率后面会标有Max字样。

8 不甘落后的Qualcomm

2017年后，高通的QC3.0虽然还在广泛使用，但高端机型却已经开始转用高压直充或者PD协议，高通快充老大哥的位置逐渐不保，虽然在2016年的时候，高通就已经强势推出了QC4.0，也将典型功率拉到了27W，但手机厂商好像并不感冒，只有为数不多的厂商如锤子、努比亚等采用，显得鸡肋。QC4.0本身兼容PD，更多的人认为，它只是在PD基础上加入了一些高通定制化的东西。如上文提到，国外的手机厂商更愿意采用影响力更广的PD协议，而国内的手机厂商则不愿意换成Type C接口，同时认为直充更有优势，开始转向定制化私有协议的直充。作为全球最大的手机方案商，高通显然不甘落后，于是，在2020年推出了QC3+和QC5，用来抢战中高端市场。很多人肯定会奇怪，高通都已经有QC4.0了，为什么又会退回来一个QC3+。其实，QC3+是个非常符合中国特色的快充协议，实则是Q3.0和高压直充的一个结合体。前面说到，中国的手机厂商，为了兼容旧的充电头和充电线，充电器端没有立即切换到Type C接口，仍然采用早年的USBA，QC3+就是采用传统USBA的D+，D-来进行握手，但相对QC3.0而言，它把电压的步进由原来的200mV提升至20mV，这样就可以实现直充充电，而相对于QC4.0或者PD而言，它的协议又相对简单，目前SOT23-6的封装即能装下，芯片厂商英集芯，伟诠均有相应的芯片，这样的话，相对于QC3.0的芯片而言，成本增加极少，但却能实现直充。高通最早支持QC3+的芯片组是骁龙765和765G，现在6系列的都已经开始支持（备注：高通高端的为8系列，也支持QC3+），一个新的协议，并不是在最高端机型上首发，而是兼容到高中端机型，这在高通的快充史上，还是第一次，由此可以看出，高通是希望能藉以这套最具性价比的充电方案，重新加大市场占有率。再来说说QC5，QC5官方的宣称支持100W+的功率，支持双充技术（双电池充电），其实就是类似上图所示的120W充电原理，用于手机超大功率充电的一个协议。高通在2020年强势推出“紫青双剑”--QC3+和QC5，希冀借此重返手机快充充电霸主的宝座。

9 快速无线充电器的发展

手机无线充电的应用，早在10年代初NOKIA，Plam等厂商就已经开始尝试，无线充电有着非常好的体验，但因为充电速度及成本的问题，当时并未普及。直至2017年苹果支持无线充电的iPhone8系列发布，再次带动这个行业的发展。而早在2008年，WPC（Wireless Power Consortium）协会就开始制订无线充电标准，目前手机无线充电基本都遵循WPC下的Qi协议，这给消费者带来很大的便利性：只要符合Qi协议的无线充电器都能给你的手机充电。目前越来越多的手机品牌都在发布支持无线充电的手机，如苹果、魅族、华为、OPPO、小米、三星等。但目前Qi协议只定义最大15W（EPP）的功率，很显然，这个充电功率难以让用户满意，为了得到更好的体验，手机厂商正在逐渐提升无线充的充电功率，30W已然成为一个主流，65W的无线充也开始出现。因为已经超出EPP范围，各家只能搭载自己的私有协议，那么，只有标配自家的无线充电器，才能支持超过15W的充电功率；而在搭配非自家的充电器时，最大只能实现15W的充电功率，通常为10W左右。基于此，WPC也正在考虑增加Qi协议定义的最大功率。另外，高通也看到了无线充这块发展的势头，推出了QC-Wireless的认证，这个认证是考量无线充搭配QC充电器的能力，认证无线充输入端QC协议的兼容性。因为目前很多手机配备的还是QC充电器，且市场上也有不少存量，如果能够直接用QC充电器给到无线充发射端供电，那么无线充就不需要另外配一个适配器，这也是对能源的一种节约。但随意的搭配，又可能产生危险，高通适时在这个时候推出QC-Wireless认证，对支持QC的无线充也是一个保障。

10 不紧不慢的苹果

作为安卓阵营之外的苹果，手机一直走在高科技及创新的前沿，但在充电这一块，却一直不紧不慢，自始至终标配的都是5V1A的充电头，时至今日。也有细心的消费者发现，其实在2014年发布的iPhone6 Plus可以支持约5V2A的充电，在2017年发布的iPhone 8系列，可以支持到9V2A的PD充电，在2020年，苹果将充电头的功率升级到了20W，这是目前苹果手机充电器的最大功率，相对于安卓阵营的65W甚至120W充电头而言，功率确实难以比肩。苹果是基于更安全选择了保守还是准备厚积薄发，我们不得而知，也不去妄自揣度，更多期待苹果有新的科技出现。