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快,就是效率!走进手机快充的世界!

科技观潮 2019-09-21
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原标题:快,就是效率!走进手机快充的世界!

据称,2019年的新iPhone终于要抛弃祖传的五福一安(5V/1A)的充电头了。毕竟如果你用标配的“五福一安”给你的iPhoneXs Max充电要210分钟才能充满。而别人家的孩子安卓的最好成绩普遍在一小时之内。

当然别人家的孩子的成绩也不是一天提高的,自2013年高通推出QC快充 (Quick Charge)之后,安卓快充技术的发展便驶上了一条快车道,各类技术和标准层出不穷,手机的充电时间不断刷新极限。在搞清快充之前我们首先要知道电池是怎么充电的。

锂电池充电一般经过预充电、恒流充电和恒压充电3个阶段。在预充电阶段电池电压低、活性差、内阻较大,只能接受较小的充电电流;随着电池电压的上升,电池活性变强,内阻变小,可以接受较大的充电电流(电池容量的70%基本上都是在恒流阶段充得的);当电池电压上升至截止电压附近时,系统电压便不再上升,充电电流自动减少,直至电池充满。

手机用检测到的电池电压来显示剩余电量,如电池电压为4.4V时表示电量为100%,电压为3.6V时表示电量为0%,手机自动关机。

如何实现快充?

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就是增加恒流充电电流。想要提高电流,充电头的输出功率(手机的输入功率)就要提高。所以近年来手机充电头的输出功率从5W、10W、18W一路提升至,VIVO更是在9012年发布了120W快充技术。

那么如何提高充电头输出功率? 功率P=U*I,提高功率要么提高电压,要么提高电流,要么两者同时提高。业界因此先后演化出了高压快充、低压快充、电荷泵快充三种方案。

1.高压快充

2013年高通发布QC1.0,将充电功率率先提升至9W(5V/1.8A),转年推出进阶版QC2.0,进一步提升充电功率至18W(9V/2A或12V/1.5A),从此奠定了自己在高压快充领域领导者的地位。

高通选择高压快充方案其实是有原因的。在2014年前后,那时安卓手机的主流充电接口还是MicroB,而MicroB支持的最大充电电流为2A。作为一家第三方供应商,高通在MicroB接口基础上要继续提高充电功率就只有提高充电电压这一条路。

另外,高压快充方案实现起来相对容易,成本提升不明显,不用更换接口及充电线,终端客户较容易接受,符合高通作为“平台”的定位。 但高压快充方案存在一个严重的问题——发热。充电头输出的9V/12V电压进入手机后会被手机中的充电IC进行二次降压。

在降低电压提高电流的过程中,传统BUCK类充电IC的转换效率只有89%,能量的损耗会带来严重的发热(18W快充仅在充电IC上就会有1.96W的热损),且这种现象会随着充电功率的进一步提高变得更加严重。

2.低压快充

“充电五分钟,通话两小时”,2014年OPPO推出了VOOC闪充22.5W(5V/4.5A)低压快充技术。由于低压快充直接提高了充电电流,不需要进行电压的二次转换,因此很好的解决了高压快充发热的问题,也使得“边充边玩”成为了可能。

为了解决MicroB接口无法承接大电流、传统线材寄生电阻过大等的问题,OPPO专门为VOOC闪充定制了充电接口、充电线及充电头。

作为一家手机厂商,OPPO可以自由定义自家手机的配置,且不用考虑兼容性的问题。这也是OPPO有别于高通,推出低压快充方案的主要原因。

虽然低压快充很好的解决了高压快充二次降压带来的发热问题,但在继续提升充电功率这条路上低压快充也面临诸多挑战,不断提高的电流对流经的各类元器件都是一种考验,线材和接口的热损会变大,整个系统的功耗也会成倍增加,相应的定制成本也越来越高。

继续提高充电功率,高电压和高电流看来都是必须的,而高电压和高电流所面临的共同敌人就是发热,发热的一个主要原因就在于充电IC的热损,TI曾经做过计算,同样的热损下,效率增加2.5%,充电电流可以提升27%。因此提高充电IC效率就成为了快充进一步发展的关键。

3.电荷泵快充

电荷泵是一种无感式DC-DC转换器,他利用电容作为储能元件进行电压变换,可以使电压减半同时使电流增倍。且其转换效率可达到97%左右,远高于普通充电IC的89%。这使得电荷泵在60W充电时的热损比普通充电IC 18W充电时的热损还要低,如此低的发热解决了高压快充的瓶颈,使得超高功率快充成为了可能。

另外,标准的Type-C接口支持3A的电流,而在USB PD协议下可支持最高达100W的充电功率(20V/5A),Type-C接口的大规模普及也提高了电荷泵快充的兼容性。

基于电荷泵技术,魅族在2017年MWC发布了Super mCharge 55W快充概念机一战成名,TI随即推出了BQ25970这颗量产版的电荷泵。原本在40W快充上计划使用5V/8A的华为,果断在2018年换为10V/4A电荷泵方案,并在Mate20pro上应用。(而魅族至今由于各种原因仍未量产55W快充,其最新旗舰16s pro只配备24W快充。)

当然电荷泵也不是万能的,其需要配合传统充电IC与充电头中的协议控制IC一同给手机充电。由于电荷泵一般不具备BUCK类充电IC稳压的功能,因此预充电和最后的恒压充电阶段还是由传统充电IC完成。而在恒流充电和恒压充电初段,需要手机端通过USB PD协议(或私有协议)来协商充电头输出合适的电压配合电荷泵进行恒流恒压充电。当充电头电压调节到电池电压的2倍时,电荷泵就能正常的进行恒流恒压充电。40W电荷泵快充大致充电过程如下图所示。

2019年2月,VIVO子品牌IQOO推出了进阶版的44W电荷泵快充,46分钟即可充满4000mAh的电池。为进一步提高电荷泵在大电流下的效率,IQOO采用了两颗BQ25970并联分流的方式,在提高效率的同时减少机身发热。(其实IQOO与Mate20pro充电最大功率均为36W左右,但IQOO的最大功率充电时间较Mate20pro更长,全部充满所需时间更短。IQOO所标称44W更多的是为了表示其与友商相比充电效率更高罢了。)

快充的核心——快充芯片

快充方案的核心在于快充芯片,以NXP的电荷泵快充方案为例,核心芯片一般包含手机端的和充电头端两类,具体如下图所示。

手机端的芯片可靠性要求高,且有时会集成其他电源管理功能(如高通的充电IC是包含在高通骁龙套片中一起提供给下游手机厂商的),故各手机厂商还是会选用高通、TI等大厂的产品。电荷泵技术难度相对较高,目前市面上主要有3款产品被手机厂商采用。

出镜率最高的为TI的BQ25970,包括VIVO和华为的多款产品均采用这颗IC。其次为高通新推出的用于小米9的SMB1390,未来可能在高通平台大规模使用。

再次为NXP的PCA9468,用于华硕ROG Phone。另外,包括Dialog、台湾立琦科技等多家厂商也相继推出了各自的电荷泵芯片。

对于电荷泵芯片,如何继续提高其在大电流下的转化率是关键。相信随着电荷泵快充的普及,电荷泵芯片未来一定会成为各大电源管理厂商的必争之地。 而对于充电头端的芯片,各方面要求较手机端略低,对中小厂商甚至初创公司都是机会。高通手机端的芯片是包含在高通骁龙套片中,而充电头中的协议控制IC高通会授权给符合标准的第三方厂商生产。

截止目前高通已经授权了超过14家厂商的17款产品,拿到高通QC4+授权的包括Cypress、Dialog、NXP、Diodes等国际厂商,以及芯籁、耕源、钰群、精拓、天钰、通嘉、昂宝、伟诠等台湾厂商。目前大陆只有英集芯一家拿到高通授权。

与高通相似,OPPO的低压快充方案在充电头端协议控制IC也采用向第三方授权的方式。目前拿到VOOC闪充认证的包括上海南芯科技、英集芯、珠海智融科技和瑞芯微电子等。 相较于手机端与电荷泵芯片的寡头垄断,充电头端芯片的百家争鸣显然更有看点。

让我们把上图NXP快充方案中的充电头放大来看,充电头端除协议控制IC外,其余核心器件还包括MOSFET、变压器、PWM控制IC、同步整流控制IC等。 笔者认为未来充电头端芯片发展的趋势有三个,一是更高的调压精度;二是氮化镓等功率器件的引入;三是更高的集成度。

1.更高的调压精度。

更高的调压精度意味着更高的效率及更低发热。高通在QC2.0时代还只是支持5V、9V、12V、20V等4档调压,到QC4.0时代,已经将电压调节幅度细化为20mv一档。

2.氮化镓等功率器件的引入。

随着充电头功率的不断提升,其体积也在一直增大,如何减小充电头体积也是快充未来发展的一个关键性问题。而体积减小的答案就在于氮化镓等功率器件及高频平板变压器的引入。氮化镓MOSFET频率可达500K-1MHz,较原有硅基MOSFET频率提高5-10倍。更高的频率使得在充电头中体积占比较大的电容可以成倍缩小,同时氮化镓更高的效率大幅减少了发热,配合体积更小的高频平板变压器可以把44W的充电头缩小至传统5W或10W充电头差不多的体积,从而极大的提升快充充电头的便携性。

3.更高的集成度。

更小的体积必然意味着更高的集成度。在IQOO的44W充电头中采用的台湾立锜科技的协议控制IC已经整合了同步整流控制IC。集成协议控制IC、同步整流IC、氮化镓MOSFET、PWM控制IC及平板变压器的方案可能会出现。PI(Power Integrations)在近日发布的LYTSwitch?-6系列LED驱动IC中同时将初级开关、初级和次级控制器以及检测元件和替代光耦的FluxLink集成到了单个IC中。未来类似的高集成度方案极有可能出现在手机上。

手机快充的极限在哪里?

上文提到,快充的核心在于提高恒流充电时的电流,手机电池能够接受的充电电流是存在极限的。这里要引入一个电池充放电C率的概念。对于一个4000mAh 3C的电池(目前旗舰手机普遍采用的电池),其允许的最大充电电流为4000mA*3=12A,对应理论最大充电功率为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,减少使用寿命,因此IQOO的44W已经接近3C电池的极限了。

如果想要继续提高功率缩短充电时间,要么采用更高C率的电芯,要么就是上双电芯方案(如OPPO的Super VOOC闪充)。VIVO在今年发布的Super Flash Charge概念机中便是综合了上述方法。其采用6C双电芯串联方案,最大充电功率可达120W,5分钟充电50%,13分钟即可充满一部4000mAh的手机。 苹果在2019年终于要标配快充了,但这仅仅可能只是一个开始。

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