【導讀】隨著智能手機的普及和用戶對手機使用續(xù)航時間需求的提高，在受限于鋰電池技術無法取得突破而做大能量密度的情況下，智能手機電池快速充電技術使用戶在短時間內(nèi)快速補充電量，從而使手機的續(xù)航時間得與延長，比如半小時內(nèi)可以充滿75%的電量，讓用戶輕松獲得足夠電池電量。
當快沖技術全面來襲，我們該如何為產(chǎn)品選擇合適的充電方案？是擺在產(chǎn)品設計師和產(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(實際上它同時兼容了高通QC2.0版和聯(lián)發(fā)科Pump Express協(xié)議)。也有人說快充技術是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充電技術上有所突破的技術，具體請看文章后面的詳細解釋。
常規(guī)USB 5V充電技術的瓶頸，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，手機的常規(guī)充電方式，無法再提高充電電流，不能滿足現(xiàn)在手機電池越來越大后，對大充電電流的要求。
一、高通QC版快充技術
這是一個市面上采用較多的快充技術，小米4C，小米note，三星等主流品牌均在采用此充電技術。這與目前高端智能手機所采用的平臺有相當關系。另外，這種技術相對簡單，實現(xiàn)起來相對容易，成本提升不明顯，市場較容易接受。高通QC充電技術有兩個版本，分別是QC2.0和QC3.0，現(xiàn)在QC3.0的手機還很少，普遍還是QC2.0。
快充技術的原理，通過USB端口的D+與D-的不同電壓給合，來向充電器申請相應的輸出電壓供手機充電。QC2.0并不是簡單的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，比如1.5s的握手電壓組合，才能進行下一步的輸出，否則，直接按圖-4將D+與D-電平設置好是不會改變充電器的輸出電壓的，這也是為了更好的保護非QC2.0技術的手機，不會因為誤觸發(fā)了充電器的升壓機制而燒毀手機，圖3是QC2.0充電器原理圖的調壓部分。
高通QC2.0 握手協(xié)議：
快充的充電器與手機通過micro USB接口中間兩線（D+D-）上加載電壓來進行通訊，調節(jié)QC2.0的輸出電壓。握手過程如下：當將充電器端通過數(shù)據(jù)線連到手機上時，充電器默認通過 MOS讓D+D-短接，手機端探測到充電器類型為DCP（專用充電端口模式）。此時輸出電壓為5v，手機正常充電。 若手機支持QC2.0快速充電協(xié)議，則Android用戶空間的HVDCP進程將會啟動，開始在D+上加載0.325V的電壓。當這個電壓維持1.5s 后，充電器將斷開D+和D-的短接， D-上的電壓將會下降；手機端檢測到D-上的電壓下降后，HVDCP獲取手機預設的充電器電壓值，比如 9V，則設置D+上的電壓為3.3V，D-上 的電壓為0.6V，充電器輸出9v電壓。
快充技術的優(yōu)點是，很好地解決常規(guī)手機充電電流的限制，由于充電器輸出電壓的提高，手機充電環(huán)路的阻抗限制的充電電流的問題得到了很好地解決，缺點是，效率仍不是很高，在手機端發(fā)熱量還比較大。
隨著高通QC3.0的發(fā)布，很好的彌補了QC2.0效率偏低的問題。
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，在任意時刻實現(xiàn)最佳功率傳輸，同時實現(xiàn)效率最大化。另外，其電壓選項范圍更寬，移動終端可動態(tài)調整到其支持的最佳電壓水平。具體來說，Quick Charge 3.0支持更細化的電壓選擇：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
與高通QC2.0雖在實現(xiàn)方式上有所不同，卻有異曲同工之妙。高通QC2.0是通過USB端口的D+和D-來個信號實現(xiàn)調壓，而聯(lián)發(fā)科的Pump Express快充技術，是通過USB端口的VBUS來向充電器通訊并申請相應的輸出電壓的。QC2.0是通過配置D+和D-電壓的方式來通訊，Pump Express是通過VBUS上的電流脈沖來通訊，但最終的目的是提升充電器的電壓到5V，7V，9V。
快充技術的VBUS電流與VBUS電壓波形如圖-5：
快充技術充電器原理圖，及原理簡介
快充技術的優(yōu)點，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。同時缺點也與QC2.0類似，由于充電器的調壓檔跨度比較大，帶來手機端充電路效率偏低。于是，MTK Pump Express Plus快充技術隨之誕生，Pump Express Plus技術與高通QC3.0類似，增加了調壓檔數(shù)，每檔200mV。手機可以根據(jù)電池當前電壓以及充電環(huán)路衰減，向充電器申請合適的電壓，以達到以電效率的最大化，以進一步降低手機在充電過程中的發(fā)熱量。
三、OPPO VOOC閃充技術
OPPO稱自己研發(fā)的快充技術為“ VOOC閃充技術“，也是最神秘的快充技術，目前只有OPPO的幾款產(chǎn)品在用，即Find 7和N3等，由于OPPO對此技術有專利限制，其它手機廠商只能嘆為觀止，且成本相對較高，充電器體積較大，便攜方面沒有其它快充技術的好。
OPPO的VOOC閃充技術與傳統(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端，充電時手機發(fā)熱得以很好的解決。為了更好的對充電流程進行控制 (比如控制電路需要實時監(jiān)測電池電壓、溫度等)，OPPO特別在適配器端加入了智能控制芯片MCU，適配器端實現(xiàn)了充電控制電路，智能控制充電的整個流程。
閃充技術的官方宣傳圖片：
8個觸點的電池
大個頭的充電器
四、TI的maxcharge技術
TI的maxcharge技術是將高通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5A，最大輸入電壓14V，可以很好地支持QC2.0和Pump Express標準的充電器。我們對TI提供的BQ25890 demo板實測，在4A充電時，芯片溫度達55度左右（在環(huán)境溫度25度下測試），差不多有30度的溫升，這如果放在手機內(nèi)部，將會是一個重要的熱源。
TI的maxcharge充電芯片的簡易原理圖，
TI的maxcharge充電芯片的簡易原理圖
BQ25890 Demo板實測
TI的maxcharge充電技術的優(yōu)點，由于同時兼容高通QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express技術，因此也就同時具備了QC2.0和聯(lián)發(fā)科Pump Express的優(yōu)化點。它缺點也和高通與聯(lián)發(fā)科一樣，整體的效率還不是很高，因此發(fā)熱量較大。
鑒于手機充電部分的發(fā)熱問題，短時間QC3.0和Pump Express plus還未普及，那么我們是否還有其它方案來減小手機充電發(fā)熱量呢？答案是肯定的。我們用兩顆充電芯片同時對一顆電池進行充電，可以減少單獨充電芯片的發(fā)熱量。圖-12是雙充電芯片原理圖，圖-13是BQ25890+BQ25896雙Demo實測，設置兩顆充電芯片的充電電流都為2A，總共4A對電池充電，充電30分鐘后，測到兩個芯片的溫度分別為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，雙充電芯片方案對提高充電效率，減少手機充電發(fā)熱方面具有很大的優(yōu)勢。
雙充電芯片原理圖
BQ25890+BQ25896雙Demo充電實測
充電過程曲線
五、充電方案的選擇
面對上述充電方案，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閃充技術在成本，以及充電器便攜性方面肯定是不占優(yōu)勢，加之其有專利方面的限制，其它廠商在沒有獲得OPPO授權的情況下，不可能采用此方案。高通和聯(lián)發(fā)科雖然各自也有專利，但暫時還未向使用者收費，且在成本與充電器便攜性方面更具有優(yōu)勢，我們不難看出，在接下來的一段時間里，快充方案的選用方面，TI芯片將具體更靈活的選擇性。
電池在快充技術發(fā)展過程中，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。目前手機上常用的電池充電倍率有：0.5C，0.75C，1C，1.5C等。比如一個電池只有1000mAh的項目，客戶要求支持快充，這時我們需要分析，客戶要求支持快充的目的是什么？只是要有這個噱頭？還是需要縮短充電時間？如果是前者，那只需要硬著頭皮加上快充方案即可，其本質和不帶快充的方案沒有多大差別（除了成本有所提高），如QC2.0在9V時可輸出1.5A以上，電池端的電流可以達到2.5A以上，對于1000mAh的電池來說，如果是目前較好的手機高倍率電池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電壓時輸出0.75A左右即可，如果在5V電壓時，則只需要輸出1.4A左右也能滿足，因此，這個項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，亦能滿足項目對充電的需求。若一個項目的電池是4000mAh，2A充電電流僅為0.5C，如果采用3A的快充方案，也只能達到0.75C，充電時長約需約2.5小時，如果是支持1C充電的電池，采用4A充電，則充電時間可縮短到約1.5小時。
電池充電倍率與充電時間的大致關系如下表：
以上是我們對當前快充方案和雙充電IC的總結，總而言之快充方案的選擇，是一個綜合性的技術方案選擇，它具有水桶效應。我們要根據(jù)項目需求，合理地選擇，希望以上的技術分析內(nèi)容，能夠給未做過快充方案的同行工程師一些參考信息，同時也希望看到更多的工程師能在快充技術上取得新的進展，給手機用戶更好的體驗。
推薦閱讀：
