【導(dǎo)讀】隨著智能手機(jī)的普及和用戶對(duì)手機(jī)使用續(xù)航時(shí)間需求的提高，在受限于鋰電池技術(shù)無(wú)法取得突破而做大能量密度的情況下，智能手機(jī)電池快速充電技術(shù)使用戶在短時(shí)間內(nèi)快速補(bǔ)充電量，從而使手機(jī)的續(xù)航時(shí)間得與延長(zhǎng)，比如半小時(shí)內(nèi)可以充滿75%的電量，讓用戶輕松獲得足夠電池電量。
當(dāng)快沖技術(shù)全面來(lái)襲，我們?cè)撊绾螢楫a(chǎn)品選擇合適的充電方案？是擺在產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和產(chǎn)品經(jīng)理面前的一道命題。悉數(shù)市面上的產(chǎn)品，快充技術(shù)大致有四種，即高通的QuickCharge版（如QC2.0、QC3.0），聯(lián)發(fā)科版（Pump Express和Pump Express plus），OPPO 的VOOC，以及TI的Maxcharge(實(shí)際上它同時(shí)兼容了高通QC2.0版和聯(lián)發(fā)科Pump Express協(xié)議)。也有人說(shuō)快充技術(shù)是5種、6種、甚至7種，但在目前也就上面這四種，是在原有USB 5V充電技術(shù)上有所突破的技術(shù)，具體請(qǐng)看文章后面的詳細(xì)解釋。
常規(guī)USB 5V充電技術(shù)的瓶頸，充電環(huán)路示意圖如圖-1，充電環(huán)路阻抗約0.32Ω，那對(duì)于4.2V和4.35V電池最大充電電流有以下公式：
(5-4.2)/0.32=2.5A (5V input source, Battery CV=4.2V)
(5-4.35)/0.32=2.03A. (5V input source,Battery CV=4.35V）
因此，手機(jī)的常規(guī)充電方式，無(wú)法再提高充電電流，不能滿足現(xiàn)在手機(jī)電池越來(lái)越大后，對(duì)大充電電流的要求。
一、高通QC版快充技術(shù)
這是一個(gè)市面上采用較多的快充技術(shù)，小米4C，小米note，三星等主流品牌均在采用此充電技術(shù)。這與目前高端智能手機(jī)所采用的平臺(tái)有相當(dāng)關(guān)系。另外，這種技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)容易，成本提升不明顯，市場(chǎng)較容易接受。高通QC充電技術(shù)有兩個(gè)版本，分別是QC2.0和QC3.0，現(xiàn)在QC3.0的手機(jī)還很少，普遍還是QC2.0。
快充技術(shù)的原理，通過(guò)USB端口的D+與D-的不同電壓給合，來(lái)向充電器申請(qǐng)相應(yīng)的輸出電壓供手機(jī)充電。QC2.0并不是簡(jiǎn)單的D+與D-的組合就可以讓充電器輸出所需的電壓，而是還有一些協(xié)議在里面，需要先發(fā)送握手信號(hào)，比如1.5s的握手電壓組合，才能進(jìn)行下一步的輸出，否則，直接按圖-4將D+與D-電平設(shè)置好是不會(huì)改變充電器的輸出電壓的，這也是為了更好的保護(hù)非QC2.0技術(shù)的手機(jī)，不會(huì)因?yàn)檎`觸發(fā)了充電器的升壓機(jī)制而燒毀手機(jī)，圖3是QC2.0充電器原理圖的調(diào)壓部分。
高通QC2.0 握手協(xié)議：
快充的充電器與手機(jī)通過(guò)micro USB接口中間兩線（D+D-）上加載電壓來(lái)進(jìn)行通訊，調(diào)節(jié)QC2.0的輸出電壓。握手過(guò)程如下：當(dāng)將充電器端通過(guò)數(shù)據(jù)線連到手機(jī)上時(shí)，充電器默認(rèn)通過(guò) MOS讓D+D-短接，手機(jī)端探測(cè)到充電器類型為DCP（專用充電端口模式）。此時(shí)輸出電壓為5v，手機(jī)正常充電。 若手機(jī)支持QC2.0快速充電協(xié)議，則Android用戶空間的HVDCP進(jìn)程將會(huì)啟動(dòng)，開(kāi)始在D+上加載0.325V的電壓。當(dāng)這個(gè)電壓維持1.5s 后，充電器將斷開(kāi)D+和D-的短接， D-上的電壓將會(huì)下降；手機(jī)端檢測(cè)到D-上的電壓下降后，HVDCP獲取手機(jī)預(yù)設(shè)的充電器電壓值，比如 9V，則設(shè)置D+上的電壓為3.3V，D-上 的電壓為0.6V，充電器輸出9v電壓。
快充技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，很好地解決常規(guī)手機(jī)充電電流的限制，由于充電器輸出電壓的提高，手機(jī)充電環(huán)路的阻抗限制的充電電流的問(wèn)題得到了很好地解決，缺點(diǎn)是，效率仍不是很高，在手機(jī)端發(fā)熱量還比較大。
隨著高通QC3.0的發(fā)布，很好的彌補(bǔ)了QC2.0效率偏低的問(wèn)題。
充電速度是傳統(tǒng)充電方式的四倍，是Quick Charge 1.0的兩倍，比Quick Charge 2.0充電效率高38%。Quick Charge 3.0采用最佳電壓智能協(xié)商（INOV）算法，可以根據(jù)掌上終端確定需要的功率，在任意時(shí)刻實(shí)現(xiàn)最佳功率傳輸，同時(shí)實(shí)現(xiàn)效率最大化。另外，其電壓選項(xiàng)范圍更寬，移動(dòng)終端可動(dòng)態(tài)調(diào)整到其支持的最佳電壓水平。具體來(lái)說(shuō)，Quick Charge 3.0支持更細(xì)化的電壓選擇：以200mV增量為一檔，提供從3.6V到20V電壓的靈活選擇。這樣，你的手機(jī)可以從數(shù)十種功率水平中選擇最適合的一檔。
二、聯(lián)發(fā)科Pump Express快充技術(shù)
與高通QC2.0雖在實(shí)現(xiàn)方式上有所不同，卻有異曲同工之妙。高通QC2.0是通過(guò)USB端口的D+和D-來(lái)個(gè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，而聯(lián)發(fā)科的Pump Express快充技術(shù)，是通過(guò)USB端口的VBUS來(lái)向充電器通訊并申請(qǐng)相應(yīng)的輸出電壓的。QC2.0是通過(guò)配置D+和D-電壓的方式來(lái)通訊，Pump Express是通過(guò)VBUS上的電流脈沖來(lái)通訊，但最終的目的是提升充電器的電壓到5V，7V，9V。
快充技術(shù)的VBUS電流與VBUS電壓波形如圖-5：
快充技術(shù)充電器原理圖，及原理簡(jiǎn)介
快充技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，與QC2.0相似，由于提高了充電器的輸出電壓，解決了充電電流的限制。同時(shí)缺點(diǎn)也與QC2.0類似，由于充電器的調(diào)壓檔跨度比較大，帶來(lái)手機(jī)端充電路效率偏低。于是，MTK Pump Express Plus快充技術(shù)隨之誕生，Pump Express Plus技術(shù)與高通QC3.0類似，增加了調(diào)壓檔數(shù)，每檔200mV。手機(jī)可以根據(jù)電池當(dāng)前電壓以及充電環(huán)路衰減，向充電器申請(qǐng)合適的電壓，以達(dá)到以電效率的最大化，以進(jìn)一步降低手機(jī)在充電過(guò)程中的發(fā)熱量。
三、OPPO VOOC閃充技術(shù)
OPPO稱自己研發(fā)的快充技術(shù)為“ VOOC閃充技術(shù)“，也是最神秘的快充技術(shù)，目前只有OPPO的幾款產(chǎn)品在用，即Find 7和N3等，由于OPPO對(duì)此技術(shù)有專利限制，其它手機(jī)廠商只能嘆為觀止，且成本相對(duì)較高，充電器體積較大，便攜方面沒(méi)有其它快充技術(shù)的好。
OPPO的VOOC閃充技術(shù)與傳統(tǒng)充電最大的區(qū)別在于，創(chuàng)新性的將充電控制電路移植到了適配器端，也就是將最大的發(fā)熱源 移植到了適配器。這樣控制電路在適配器，而被充電的電池在手機(jī)端，充電時(shí)手機(jī)發(fā)熱得以很好的解決。為了更好的對(duì)充電流程進(jìn)行控制 (比如控制電路需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓、溫度等)，OPPO特別在適配器端加入了智能控制芯片MCU，適配器端實(shí)現(xiàn)了充電控制電路，智能控制充電的整個(gè)流程。
閃充技術(shù)的官方宣傳圖片：
8個(gè)觸點(diǎn)的電池
大個(gè)頭的充電器
四、TI的maxcharge技術(shù)
TI的maxcharge技術(shù)是將高通QC2.0和聯(lián)發(fā)科的Pump Express，以及TI自身的高性能充電管理做了一次整合，比較有代表性的方案有BQ25895，其最大充電電流可達(dá)5A，最大輸入電壓14V，可以很好地支持QC2.0和Pump Express標(biāo)準(zhǔn)的充電器。我們對(duì)TI提供的BQ25890 demo板實(shí)測(cè)，在4A充電時(shí)，芯片溫度達(dá)55度左右（在環(huán)境溫度25度下測(cè)試），差不多有30度的溫升，這如果放在手機(jī)內(nèi)部，將會(huì)是一個(gè)重要的熱源。
TI的maxcharge充電芯片的簡(jiǎn)易原理圖，
TI的maxcharge充電芯片的簡(jiǎn)易原理圖
BQ25890 Demo板實(shí)測(cè)
TI的maxcharge充電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，由于同時(shí)兼容高通QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express技術(shù)，因此也就同時(shí)具備了QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express的優(yōu)化點(diǎn)。它缺點(diǎn)也和高通與聯(lián)發(fā)科一樣，整體的效率還不是很高，因此發(fā)熱量較大。
鑒于手機(jī)充電部分的發(fā)熱問(wèn)題，短時(shí)間QC3.0和Pump Express plus還未普及，那么我們是否還有其它方案來(lái)減小手機(jī)充電發(fā)熱量呢？答案是肯定的。我們用兩顆充電芯片同時(shí)對(duì)一顆電池進(jìn)行充電，可以減少單獨(dú)充電芯片的發(fā)熱量。圖-12是雙充電芯片原理圖，圖-13是BQ25890+BQ25896雙Demo實(shí)測(cè)，設(shè)置兩顆充電芯片的充電電流都為2A，總共4A對(duì)電池充電，充電30分鐘后，測(cè)到兩個(gè)芯片的溫度分別為42度和40度，室溫為25度，芯片溫升分別為17度和15度，比單芯片充電方案的溫升降低了一半。因此，雙充電芯片方案對(duì)提高充電效率，減少手機(jī)充電發(fā)熱方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。
雙充電芯片原理圖
BQ25890+BQ25896雙Demo充電實(shí)測(cè)
充電過(guò)程曲線
五、充電方案的選擇
面對(duì)上述充電方案，我們要如何選擇呢？
成本，效率，發(fā)熱量，便攜性，專利，等均需要考慮。首先，OPPO的VOOC閃充技術(shù)在成本，以及充電器便攜性方面肯定是不占優(yōu)勢(shì)，加之其有專利方面的限制，其它廠商在沒(méi)有獲得OPPO授權(quán)的情況下，不可能采用此方案。高通和聯(lián)發(fā)科雖然各自也有專利，但暫時(shí)還未向使用者收費(fèi)，且在成本與充電器便攜性方面更具有優(yōu)勢(shì)，我們不難看出，在接下來(lái)的一段時(shí)間里，快充方案的選用方面，TI芯片將具體更靈活的選擇性。
電池在快充技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，起著舉足輕重的作用，電池充電倍率的高低，直接影響充電的速度。目前手機(jī)上常用的電池充電倍率有：0.5C，0.75C，1C，1.5C等。比如一個(gè)電池只有1000mAh的項(xiàng)目，客戶要求支持快充，這時(shí)我們需要分析，客戶要求支持快充的目的是什么？只是要有這個(gè)噱頭？還是需要縮短充電時(shí)間？如果是前者，那只需要硬著頭皮加上快充方案即可，其本質(zhì)和不帶快充的方案沒(méi)有多大差別（除了成本有所提高），如QC2.0在9V時(shí)可輸出1.5A以上，電池端的電流可以達(dá)到2.5A以上，對(duì)于1000mAh的電池來(lái)說(shuō)，如果是目前較好的手機(jī)高倍率電池1.5C，也只需要1.5A的充電電流，那么換算到充電器端，充電器只需要在9V電壓時(shí)輸出0.75A左右即可，如果在5V電壓時(shí)，則只需要輸出1.4A左右也能滿足，因此，這個(gè)項(xiàng)目只需要選擇更高倍率的電池即可，而不需要采用快充技術(shù)，亦能滿足項(xiàng)目對(duì)充電的需求。若一個(gè)項(xiàng)目的電池是4000mAh，2A充電電流僅為0.5C，如果采用3A的快充方案，也只能達(dá)到0.75C，充電時(shí)長(zhǎng)約需約2.5小時(shí)，如果是支持1C充電的電池，采用4A充電，則充電時(shí)間可縮短到約1.5小時(shí)。
電池充電倍率與充電時(shí)間的大致關(guān)系如下表：
以上是我們對(duì)當(dāng)前快充方案和雙充電IC的總結(jié)，總而言之快充方案的選擇，是一個(gè)綜合性的技術(shù)方案選擇，它具有水桶效應(yīng)。我們要根據(jù)項(xiàng)目需求，合理地選擇，希望以上的技術(shù)分析內(nèi)容，能夠給未做過(guò)快充方案的同行工程師一些參考信息，同時(shí)也希望看到更多的工程師能在快充技術(shù)上取得新的進(jìn)展，給手機(jī)用戶更好的體驗(yàn)。
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