快速充电器发展现状与电气安全

朱晓栋 柯思艺 王世栩 陆永丽

（上海市质量监督检验技术研究院 上海 201114）

引言

在过去的20年中，手机以其体积小，可随身携带的优势，速度替代了家庭电话，成为广泛使用的通讯设备。在普及的过程中，手机也跟随消费者的需求以及技术的提升，不断创新迭代：从功能机到智能手机，从按键手机到触屏手机，从2G通讯到如今5G时代。上述的每次技术更新不仅仅推动了产业发展，更扩充了消费者的使用场景。毫不夸张的说，在日常生活、工作、社交，无处不与手机息息相关，因此对手机的续航能力有了更高的要求。“充电器”、“数据线”和“电池”是组成手机充电系统的三个关键部件，碍于高容量电池研究进展缓慢，各厂商不断技术创新，快速充电器成为了发展的热点。

1 主流快充协议及充电特点

1.1 高通QC协议

2013年高通正式发布QC 1.0快充协议，配合电池管理芯片，将之前普遍使用的5 V，1 A输出规格提高到5 V，2 A。随后在2014～2015年先后推出QC 2.0/QC 3.0，至此开启高压充电模式。QC 2.0/QC 3.0协议将输出电压扩展到了5 V、9 V、12 V、20 V，并且QC 3.0在QC 2.0的基础上优化了直流电压转化效率，其支持输出电压在3.6 V至20 V之间，以200 mV步进浮动。得到了各厂商普遍认可并且广泛采用。随后陆续发布QC 4.0、QC 4.0+，直至2020年7月，高通发布QC 5.0，可支持最高20 V，100 W的输出功率，并且与PD协议兼容。

然而最早推出快充的高通并没能实现统一快充标准的愿望。各手机厂商出于商业利益和产权保护，研发独有知识产权的快充协议。

1.2 VOOC系列快充协议

2014年oppo发布VOOC协议充电手机，该协议支持5 V，4 A输出规格。与同时期主流使用的高通QC 2.0协议的9 V，2 A输出规格形成鲜明对比。在当时，高通的方案以提高手机输入电压达到提高输入功率，加快充电速度的目的，而VOOC协议快充方案是以提高手机输入电流的方法达到同样效果。相比增大电压的QC 2.0协议方案，VOOC协议具有手机发热小，安全性能高的优点，但高输入电流的VOOC快充对手机数据线的电流承载能力也有了更高的要求，至此数据线也成为了手机充电系统的重要组成部分。经过数年的发展，VOOC协议已经演进到了VOOC 4.0（5 V，6 A）。2018年，oppo推出了50 W（10 V，5 A）的 superVOOC快充协议充电器，2019年，oppo推出了65 W（10 V，6.5 A）的 SuperVOOC 2.0快充协议充电器，并且兼容部分PD和QC协议。

1.3 SCP/FCP协议

SCP全 称 Super Charge Protocol，FCP全 称 Fast Charger Protocol，二者都是华为自家的私有协议。FCP协议诞生较早，采用的是类似QC 2.0和PE协议的“高压型小电流”方案，输出规格为9 V，2 A（18 W）。2016年后，华为推出了全新的SCP协议（5 V，4.5 A和4.5 V，5 A，22.5 W），采用的是类似OPPO的“低压大电流”方案，好处同样是在增大功率的同时，减少发热。后来在这一协议的基础上，华为又增加了电荷泵技术，将充电器输出的10 V，4 A，通过手机内部芯片转为5 V，8 A，实现了40 W的超级快充。目前最新款mate40系列手机的SCP协议充电器已支持到11 V，6 A。

1.4 USB PD协议

PD协议是USB IF组织推行的快充协议，它最显著的特点是通过 Type-C 接口进行输出，除了带来更方便的插拔体验，这种技术还可以在相对更小的体积下实现最高 100 W功率的电力传输。谷歌一直以来是推动PD协议的中坚力量，由于谷歌公司在安卓底层系统拥有绝对的话语权。2019年谷歌做出明确规定，要求所有使用USB接口、带安卓系统的快充终端必须兼容PD协议。至此确立了PD协议在快速充电协议中的主导地位。目前PD协议最新版本为PD 3.0，符合PD 3.0协议的充电器可以支持5 V， 9 V， 12 V，15 V，20 V这些电压，并且和QC 3.0一样支持电压浮动，最小调节单位为20 mV。支持最大电流为5 A。

2 快速充电器混用对手机充电性能的影响

为了更直观的体现快充对手机性能的影响，选择了4台市场上热门的手机和囊括了主流快充协议的手机充电器作为研究对象。在各手机电量处于20 %馈电状态下，使用不同的充电器对手机进行充电，并且使用功率计对充电电压、电流进行实时监控，在充电过程中，记录最大充电功率状态下对应的电压和电流。结果详见表1～表3。

表1 试验手机及支持的快充技术

表2 充电器及支持的协议

表3 充电试验记录

通过对比试验结果，可得知：

1）使用手机原装充电器均能发挥手机良好的充电效率。

2）对比表2中各充电器协议所支持的协议，可以发现，当第三方的充电器快充协议覆盖原装充电器的快充协议时，也能得到良好的充电效果。例如：序号为3、9、10、11的充电器均能给vivo Y5s手机提供良好的充电功率。

3）当手机不支持快充充电器的协议时，充电器将仍使用5 V的充电电压或者较低的充电电流，进行低功率充电。此时快速充电器与普通充电器并明显无区别。

3 快速充电器的电气安全分析

根据充放电试验数据，经过仔细对比可发现试验过程中存在1个疑点：充电器样品序号：5（VCA7GACH，第三方充电器）和6（VCA7JACH，oppo原装充电器），均支持VOOC系列协议，额定输出规格也相同，为什么在与协议兼容手机（OPPO K5）的试验后，得到的充电功率有较大差异？

带着上述疑问，决定对5号、6号充电器样品进行拆解，试图从结构上分析寻找原因。经对比，两款充电器内部结构存在较大的差异：总结如下：

1）虽然两款充电器在安全结构上都使用了隔离变压器，安规电容，光电耦合器作为初次级隔离，但5号充电器中的变压器无型号和厂商信息，并且初次级绕组之间未做有效隔离，次级绕组线末端无套管防护，从图1中可看出次级绕组线已经对绝缘胶带造成损坏。上述安全防护设计的缺失都将直接导致产品的电气间隙和爬电距离不符合我国信息技术类产品强制性标准要求[1]。对比之下，6号充电器的变压器次级侧使用三层绝缘线与初级绕组隔离，并且变压器靠近印制板处包含挡墙设计，对变压器初次级做了有效隔离，见图2，因此安全考虑十分周全。

图1 5号充电器内部结构

图2 6号充电器内部结构

2）5号充电器初级电容和变压器之间使用硅胶安装了一块金属块（见图1），通过观察发现，金属块与任何元器件都无接触，其目的仅为了增加产品重量，以次充好。6号充电器背面（见图3）设计一块挡板，穿过印制板将初次级隔开，上表面设计一块金属板，此金属板与印制板背面次级发热元器件接触，起到实际的散热作用。

图3 6号充电器散热和绝缘设计

3）5号充电器次级侧并没有标志性的快充协议芯片，而6号充电器在USB输出侧有一颗VOOC快充协议管理芯片（见图4）。

图4 5号（左侧）和6号（右侧）芯片

通过上述拆解分析，可以基本认定5号充电器产品设计不符合国家CCC标准要求，虽然外壳上标有国家CCC标志，但通过CQC官网并未查询到认证信息，实为假冒伪劣产品。因此产品输出性能不理想就得到了解释。

4 结束语

回顾手机充电系统的发展历程，为了响应国家环保和可持续发展战略，为减少电子垃圾，实现可重复利用，国家和行业通过不断的努力，目前已经基本实现了充电器输出接口[2]和手机充电口的统一。然而快充技术的统一仍然路途遥远，需要得到各厂商的支持。USB IF组织的PD协议为此做出了努力，但出于商业考量，各厂商在产品设计中，PD协议输出功率仍无法覆盖到厂商私有协议的最大功率。另一方面，快充充电器的高利润促使市场出现了普通消费者无法分辨的高仿、假冒产品，给人民生活带来了极大的安全隐患。唯有厂商拿出智慧，统一快充标准，降低制造成本，才能避免不必要的资源浪费。