USB快充是个什么鬼

现在手机基本上是人手一部,部分兄弟姐妹还整个两部或者更多的,由于智能手机的兴起,各种APP应用,各种吃鸡手游等层出不穷,手机已经成为日常生活中密不可分的重要物件,手机功能也是逐步完善和强大,基本可以替代平板电脑的使用,像我这种对各种功能嗤之以鼻的用户,基本就登录微信,看看今日头条,然后就是电话沟通,但总感觉现在的电池容量不够用,给手机充电,已经是我每天的日常最重要的工作,甚是怀恋曾经的功能机,那时基本一周以上不用充电,刚出江湖2000年那会儿用的爱立信功能手机,摩托罗拉的翻盖手机等等,电池容量不够的用户体验肯定不是我一个人这样想,所以近两年各种手机快充的广告是四面八方扑面而来,最著名的就是蓝绿兄弟的【充电五分钟,通话两小时】,现智能手机基本都配备啦快速充电技术或者无线充电技术,一般而言,对于充电功率达到10W(电压5V;电流2A)方能称之为快充,不是现在的牛鬼蛇神,啥也叫快充,今天我们一起来瞅瞅,USB快充究竟是个什么鬼!

一开始手机电池都不大,手机的充电电流一般是5V1A,而平板电脑的充电电流一般是5V2.1A;这个时候USB接口默认的5V 0.5A就可以满足充电的需要;但是当智能机出现之后,由于对性能的大幅度渴求导致功耗上升,0.5A已经满足不了需要了;于是定义了一个增强的USB充电识别标准BC1.2;它将充电电流最大扩展到5V 1.5A;现在市面上的普通集线器实际上是以数据传输来作为主要的功能的,虽然有电流的输出可以提供充电,但是有没有考虑过这样充电是不是合适这个问题;实际上我们用普通的集线器去充电的时候是对手机电池有一点的影响;低于手机限制的充电电流,刚开始你可能没感觉到怎么样,后面你就会觉得手机电池为什么那么不经用了;所以BC1.2充电标准可能说是将充电和数据传输给结合在一起的一个实用性规范;但是到了2013年左右,出现了3000毫安时以上的智能手机,这个时候就算是5V 1.5A也不能满足需求了,于是再次扩展到5V 2A.

对于充电功率达到10W(电压5V;电流2A)方能称之为快充.【这句话重点,要考试的】;究竟谁决定电流的大小?

手机充电电流是手机来控制的,而不是充电器,手机会智能检测充电器的负载能力,充电器功率足承载能力强,手机控制芯片就会允许充电器加载更高的电流,如果充电器输出电流小,手机也会限制给自己充电的电流,避免破坏手机的充电体系!这就是为什么我们要选购大功率充电器的原因,例如一台手机最大支持5V 1.5A的输入,你买个5V 1A的充电器,就会导致手机只能以5V 1A来充电,不仅充电速度慢,而且因为充电器一直全负荷工作发热严重;反之你买个5V2A的充电头,手机会控制只输入1.5A的电流,充电器负载较低,有充足的余量;当然充电器和手机之间,还有一个最重要的部件,那就是手机数据线!这根连接的数据线,需要安装充电头的配置去设计符合的规格!拿我们的苹果老大举例,苹果不仅Lighting数据线有认证,充电器也是有认证的,苹果设备检测到非原装充电器会限制电流到5V1A甚至0.5A;这也是为什么盗版的苹果线充电慢的一个原因.

iPhone 6/Plus分别最高支持5V 1.5A/2A的充电,但是苹果标配充电器只有5V 1A。对于1800多毫安电池的iPhone6来说其实无关紧要,但是对于接近3000毫安时电池的iPhone6 Plus来说简直致命!目前苹果的充电方式主要有四种搭配,分别为:苹果 29W USB PD 充电器;苹果 5V/2.4A 充电器;苹果 5W 充电器;mophie 无线充电;以下我们来看下分别的测试数据时间,我们就可以清楚的看到差别!

5V 2A就是高通的Quick Charge 1.0技术;当然实际上为了防止充电器满负荷,一般手机都是限制到了5V 1.8A左右的;安卓手机5V 2A的充电技术没有什么限制也没有识别协议;如以上所述,我们都已经知道,要想提高充电速度,关键还是在于提高充电的功率;功率(W)=电流X电压,充电器先把市电220V降压到5V输出到手机MicroUSB接口,然后手机内部电路再降压到4.3V左右给电池充电;这里面一共有两个降压的过程。之前充电器输出电压都是5V,大家想着怎么提高电流;但是当达到5V 2A之后,瓶颈就来了:电流再增加势必造成Micro USB接口和数据线无法承受;Type C应运而来,Type C接口的触点数量数倍于Micro USB接口,这就使得它能承受的电流强度大大增加;同时Type C加入了互相识别的步骤,可以把自己定义成充电器或者受电设备;换句话说USBType C天然支持快充,同样的电流下USB Type C损失也会更小,而且可以支持双向充电.

现在越来越多的手机使用了快速充电技术,那么目前都是有哪些手机快速充电技术?手机快速充电技术的原理是什么?

由于当前以高通、MTK、华为、OPPO、三星为首的企业都分别推出了自家的快充技术,各自为营,互不兼容,机快速充电主要分为两大类:低压快速充电技术、高压快速充电技术,其中VOOC闪充手机快速充电技术较为成熟,高通、联发科快速充电技术还在发展中,下面就详细介绍一下这些手机快速充电的原理.

高通的QC标准

据相关统计,目前全球大约有 6 亿台设备已经提供支持快充 2.0 和快充 3.0 了,高通近日宣布,Quick Charge 4.0 产品将在今年下半年开始出现。据悉 Quick Charge 4.0 或将提供最高 28W 的充电功率,远超其他快速充电标准,能让手机在短短 15 分钟的时间内能充过 50% 的电量(Quick Charge 2.0加入了特殊芯片。而为了避免老版本手机在充电时被过大电流烧毁,还加入了特殊的IC判断开关).

OPPO家族的VOOC闪充标准

提高充电速度的方法有两个大方向,一是提高电压,二是提高电流。提高电压会增大充电过程中的发热量,加速电池老化并可能带来安全隐患,因此实际效果不佳。相比之下,提高电流则现实的多。VOOC技术采用的就是低电压高电流模式,保证了充电过程中的安全性,目前使用VOOC闪充的机型有:OPPO R7s、OPPO R7,OPPO R7 Plus,OPPO Find7,OPPO R5,OPPO N3,OPPO U3.

联发科Pump Express Plus标准

联发科的快速充电新技术Pump Express内置于PMIC的电源管理集成电路。其允许充电器根据电流决定充电所需的初始电压,由PMIC发出脉冲电流指令通过USB的Vbus传送给 充电器,充电器依照这个指令调变输出电压,电压逐渐增加至高达5V 达到最大充电电流。Pump Express目前有两种技术规格,一是输出功率小于10W的Pump Express,二是输出功率大于15W的Pump Express Plus。

目前配合联发科的快充方式,也已经有Dialog,On-bridge 和通嘉等电源芯片厂为其配合开发专属电源管理IC,它无需使用到USB的数据通讯口,线路简洁,从架构上看和目前传统USB 充电器几乎一样,成本提高也较低,很适合在中低端手机中进行推广

华为快充标准

在手机的快充通用标准以高通(QC3.0,QC2.0)快充最为广泛,  但是华为自家的FCP(Fast Charger Protocol)也是不可忽视的一股力量,目前华为的荣耀7和Mate8,P9等旗舰机型都标配了快充技术,并且9V 2A(18W)的输出性能一点都不亚于高通QC2.0的同类快充手机, 现在市面上高通QC快充的识别IC很多,但是很少有能支持华为FCP快充的识别IC,可让电源工厂来搭配,做成适用于华为FCP快充的产品:车充,充电器,移动电源.

提醒:多消费者一直存在误区,觉得采用USB Type-C接口和数据线的智能手机充电速度和数据传输速度肯定都会很快,那么使用USB Typc-C接口机型充电速度是否一定更快?不一定,其实这主要是USB PD协议在起作用,如果只是采用USB Type-C接口而不兼容USB PD协议或者QC 3.0之类的快充技术,充电速度同样也是不会大幅提升的,目前市面上兼容USB PD协议并随机附送该协议快充头的手机并不多.

USB-PD的步步紧逼

一直以来,手机领域的许多新技术都需要苹果来带动,然而在快充方面,安卓阵营却能够自豪地对苹果说:哥们儿,快跟上,不过,高通、MTK、华为、OPPO、三星等企业都分别推出了自家的快充技术,这种“市场割据”造成电池质量、数据线接口、数据线等品控不一,导致了快充的标准不一,规格不一,使得整个快充市场成本被无形拉高

此前,USB-IF组织发布USB-PD 3.0重要更新,推出了名为PPS(Programmable Power Supply)的快速充电技术规范,将不允许USB接口通过非USB PD的协议来进行电压调整。同时,谷歌同样在最新的Android 7.0 OEM规范中强调:快充技术必须支持USB PD。

在这样的冲势下,业界认为,各个厂商自有快充标准的好日子可能到头了,包括QC 4.0在内的众多快充标准都将被收编;而事实上,高通最新的QC 4.0已经使用了USB PD协议,做好了应对准备。但同时,高通又不愿束手就擒,希望通过提升自身专利快充技术水平,以扩大市场占有率,因此急于淘汰QC4.0,迅速上马QC 4+也在情理之中.

这里我们来解释一个关键的事情:

充电输入功率增大了,是否电池的寿命就降低了?

锂电池充电过程

电池有两极:正极是锂化合物,负极为石墨。

充电放电都是电能和化学能的相互转换,在锂离子在正负极运动过程中,也在变成不同的化合物.

我们可以把锂离子看作是装有电荷的小车:在充电时,由于电场作用使小车全部开到负极储存下一定的能量(锂离子嵌入到负极的石墨碳层微孔);在放电时,这些带着电荷的锂离子小车由于发生化学反应,又跑到了正极(锂离子的脱嵌,使正极处于富锂状态);在这个过程中形成电流供电

理想状态下,只要正负极材料的化学结构基本不发生变化,电池充放电的可逆性很好,锂离子电池就能保证长时间循环;快速充电主要是保证锂离子快速的从正极嵌出并快速的嵌入负极,不能造成锂离子的沉积.但是在电流增大时,电极负极(石墨)表面的一层半透膜(SEI膜)会有一定程度的破裂,使电极材料和电解液相互反应,另外温度升高也会让电池内部发生副反应破坏电池上的化学物质,导致可逆性降低(就是锂离子小车没法来回开了)电池容量也就会不断的减少;就是是我们经常感觉到的,明明是充满电了,为什么电池越来越不经得起用了;你在生活中也一定看到过,类似手机在充电时突然爆炸这样的新闻,也一定经历过手机在充电时外壳发烫发热的现象.这都是因为,当充电已经完成,而电流还在不断的输入时,电池的电容量已经到达上限,所以此时大部分的电流就会由电能转为热能被消耗,电池也就开始变热,并散发出热量;这就是为什么你的手机过充时会发热的原因;此外,还有更严重的后果,当转化的热能过多时,会导致锂电池正极电解质发生反应,锂元素的活性过于剧烈,最坏的结果自然就是发生爆炸

▲锂电池充电放电示意图

当然为了防治这样的安全隐患,手机厂商们和充电器厂商们也是花了心思的,现在大部分的手机已经都有IC防护存在;正规的充电器本身也会对电压、电流进行监控;并在移动设备上采用涓流充电的方式,来降低电容量上限的损耗,延长电池寿命;这些方法对于手机过充都有很好的抑制作用,但归根结底还是因为我们在手机完成充电的情况下没有及时拔掉电源,让手机不断重复放电和充电的过程,导致电容量上限减少;快充的大批量应用更加的增加啦这种忧虑!

小编总结:目前市场主流品牌旗舰机型大多使用高压快充,但高压快充最大的弊端在于功率损耗导致发热严重,在降低用户使用体验的同时,也给手机散热结构设计带来很多额外的成本,故小编认为,低压快充将引来快速成长机会,伴随着USB Type-C标准进入快车道,USB-PD协议也逐渐进入了公众的视线;这种新的充电协议颠覆了人们对USB充电效率低下的认知,它可以承载3A或5A的电流(传统的USB A型或B型接口最大承载电流只有1.7A),有利于提升充电的功率,最高的传输功率可以达到100W;同时接口中定义了用于功率传输协议通讯的专有通道(CC1/CC2),可以在充电和受电设备间完成智能的自适应充电调节,提升充电效率;以USB的普及率为保障,这种低压快充的新协议将快充成长,有望成为便携设备充电标准的终结者,大功率将成为趋势,故未来Type-C 的C TO C 3.1线材规格将成为Type-C系列的主打产品,目前由于成本较高及加工技术难度,验证测试要求较高,可生产厂商较少,但伴随着一些中型企业研发能力的加强及市场需求的推动,类似的产品单价将迎来合理区间;谢谢!

更多快充资讯,请参考文章:中国快充产业链企业将迎来千亿市场!

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2021-04-27 原文

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