快充技術原理與典型應用電路圖詳解

　　智能手機的興起使得手機耗電量急速上升，而成本、電池技術都限制了電池續(xù)航時間，在沒有辦法解決電池續(xù)航問題的時候，為用戶提供更快的充電速度似乎成了解決手機待機問題理所當然的方法，在這個大背景下，現(xiàn)在的手機快充技術越來越多的被手機廠商們使用和青睞。

　　一：快充技術原理-快速充電原理

　　電池核心仍是鋰離子，大多數(shù)廠商走的，基本是“開源”和“節(jié)流”兩條路——電池廠商努力提升能量密度加大容量，芯片廠商則在尋求低功耗方案，但這兩者都是有上限的：前者手機便攜性所限，后者是是技術限制。

　　既然開源節(jié)流效果都不明顯，廠商就開始采用“曲線救國“的方案：提高手機的充電速度，從常規(guī)的1-2小時變得更短，以此降低充電的時間成本，換取便捷性。

　　電池充電的基本條件是：充電器電壓要比電池電壓高，才能克服電池的電壓使它產(chǎn)生充電電流，完成電荷轉移過程。

　　初中物理都學過，功率（P）=電壓（U）x電流（I），在電池電量一定的情況，功率標志著充電速度，可以通過下列三種方式來縮短充電時間：

　　1、電流不變，提升電壓

　　2、電壓不變，提高電流

　　3、電壓、電流兩者都提高

　　把充電比喻成水池蓄水，提升電壓，會對池壁帶來更大壓力，帶來安全隱患。所以單純采用提升電壓這種方式的還不多。

　　從物理計算公式上來說，功率（P）=電壓（U）x電流（I），在電池電量一定的情況，功率標志著充電速度，我們可以通過下列三種方式來縮短充電時間。

　　1、高電壓恒定電流模式：一般手機的充電過程是，先將220V電壓降至5V充電器電壓，5V充電器電壓再降到4.2V電池電壓。整個充電過程中，如果增大電壓，產(chǎn)生熱能，所以充電時，充電器會發(fā)熱，手機也會發(fā)熱。而且這樣功耗越大，對電池損害也是越大的。

　　2、低電壓高電流模式：在電壓一定的情況下，增加電流，可以使用并聯(lián)電路的方式進行分流，恒定電壓下，進行并聯(lián)分流之后每個電路所分擔的壓力越小，在手機中也進行同樣處理的話，這個每條電路所承受的壓力也就越小。

　　3、高電壓高電流模式：這種方式同時增大電流與電壓，這樣由之前的公式P=UI，我們可以知道的是，這種方式是增大功率最好的辦法，但增大電壓的同時會產(chǎn)生更多的熱能，這樣其中所消耗的能量也是越多，并且電壓與電流不是無限制的隨意增大。

　　這三種方式有一個共同的問題，那就是對充電器、手機以及充電數(shù)據(jù)線的電子元件要求更高。高通想利用其技術上的優(yōu)勢使得第三種方式，而OPPO選擇退而求其次，采用了第二種方式來提高充電效率。

　　恒壓提高電流是更普遍做法，目前手機標配的適配器通常為5V/1A輸出，部分廠商將充電電流提升到了2A，一定程度上縮短了手機的充電時間，這確實是一種解決方案，但問題是，首先，2A需要充電器和手機都支持才行，手機上也有控制器，并不是多大電流都能支持，如果用2A充電器給僅支持1A的手機充電，其實輸出也只有1A。

　　另外，電流不能無止境提升，大電流充電會產(chǎn)生更多的熱量，如果發(fā)熱速度超過了散熱速度，又沒有保護機制，電池的溫度就會不斷升高，壽命降低甚至引起爆炸。所有的電子產(chǎn)品，充電器和產(chǎn)品本身都會限制最大電流。

　　目前提升充電功率的兩個方法，要么提升電壓，要么增加電流，要么電壓、電流均提高。并且只有經(jīng)認證的手機端和適配器才能實現(xiàn)高效的充電效果。

　　首先充電器把家用電的220V降壓到5V輸出到手機Micro USB接口，然后手機內部電路再降壓到4.3V左右給電池充電。這里面一共有兩個降壓的過程。

　　下面我們再來了解一下鋰電池充電時間與充電過程。

　　上圖中橫坐標為時間，縱坐標為鋰電池電壓。由于鋰電池的特殊性，過壓或者欠壓都會導致電池報廢，所以現(xiàn)在的鋰電池充放電保護電路原理就是測量鋰電池電壓，再根據(jù)電壓判斷鋰電池是否處于正常狀態(tài)（非過壓、非欠壓）。

　　鋰電池的充電電流如上圖粉紅色線所示。鋰電池的充電分為三個階段，分別是恒流預充電、大電流恒流充電與恒壓充電。

　　當電壓低于3.0V時，充電器會采用100mA電流對鋰電池進行預充電，就是上圖C C Pre-charge階段，中文名字叫恒流預沖電階段，目的是慢慢恢復過放電的鋰電池，是一種保護措施來的。合格的充電器都會有這個充電階段。

　　然后與問題有關的就來了。當鋰電池電壓高于3.0V時，就進入到第二階段，大電流恒流充電階段（C C Fast charge）。由于鋰電池經(jīng)過第一階段的預充，其狀態(tài)已經(jīng)比較穩(wěn)定了（預充階段的作用可以這樣理解~但并不嚴謹）。所以在第二階段，充電電流就可以適當提高，根據(jù)不同的電池來說，這個電流的大小可以從0.1C到幾C不等，其中C是指電池容量，如2600mAh的鋰電池，0.1C就是指260mA大小的電流。

　　在這一個充電階段中，國家建議的標準充電是用0.1C電流進行充電的，這個就是標準充電。不過標準充電這個標準由于提出的時間很早，十幾年前的就提出來。那時候因為鋰電池技術遠遠不如現(xiàn)在穩(wěn)定（不允許大電流充電），所以才會有這樣一個標準~~~采用標準充電的唯一好處就是充電過程穩(wěn)定，發(fā)生爆炸之類的幾率非常小；缺點就是費時間！?。?/p>

　　而快速充電，就是指在這個階段用大于0.1C的電流進行充電。如果鋰電池容量為2600mAh，那么標準充電的電流為260mA，只要充電電流大于260mA，就可以定義為快速充電了。不過就從目前的鋰電池水平與充放電管理芯片的水平來說，用1C的電流充電都沒問題。所以快速充電也沒有想象中的那么危險。一般快速充電的充電電流為0.2~0.8C，所以快速充電還是安全的。由于近幾年來的提升，現(xiàn)在的充電器基本上都是快充類型的。

　　而鋰電池充電的最后一個階段為恒壓充電階段，這個階段就是檢測到鋰電池電壓等于4.2V時，充電器則進入恒壓充電模式，這個階段充電電壓恒定為4.2V，充電電流則越來越?。錆M了，電流肯定變小~）。當充電電流小于100mA時，就判斷電池充滿，切斷充電電路。

　　這一階段的特性，也可以解釋為什么手機指示充滿電后，拔出USB線再插進去，手機又顯示繼續(xù)充電。

　　另外，需要說一下的是：以上的充電是針對于單節(jié)鋰電池的最理想充電過程，目前的合格鋰電池充放電保護板都是這樣子工作的。

　　目前手機使用的電池都是鋰離子電池，在手機工作時，電池不斷放電，電池電壓不斷下降，電池放電的電流不同，電壓下降的曲線速率也不同，一般來說，在電池電壓3.5V～4.2V之間集中了90%的電池能量。電池能量分布如下圖所示。

　　電池能量分布概圖

　　結合鋰電池的實際情況，一般手機的工作設置為當鋰離子電池放電到一定程度時，會通過軟件設置為不能通話或者強行關機。深度放電對鋰離子電池的壽命會造成不可逆轉的損傷，因此關機電壓一般設置為3.5V左右。從電池的能量分布以及手機使用的實際情況來看，影響充電時間最大的是在恒流充電階段的充電電流，目前主流手機設置的充電電流為450mA左右。如果想實現(xiàn)快速的充電，最切實可行的方法就是提高恒流的充電時間。鋰電池的最佳充電速率為1C，這意味著一個 1000 mAh的電池組要以1000mA的電流進行快速充電，以這種速率充電可以實現(xiàn)最短的充電時間，而且不會降低電池組的性能及縮短使用壽命。對于容量不斷增加的電池，欲達到這種滿意的充電速率，提高充電電流值是不可避免的。

　　二：快充技術原理-快充方案典型應用電路圖

　　快速充電方案包含兩個部分，充電器部分和電源管理部分，電源管理部分的芯片置于移動智能終端內，有獨立的電源管理芯片，也有的直接集成在手機套片中，電源管理芯片對鋰電池的整個充電過程實施管理和監(jiān)控，包含了復雜的處理算法，鋰電池充電包括幾個階段：預充階段、恒流充電階段，恒壓充電階段、涓流充電階段，充電管理芯片根據(jù)鋰電池充電過程的各個階段的電器特性，向充電器發(fā)出指令，通知充電器改變充電電壓和電流，而充電器接收到來自充電管理系統(tǒng)的需求，實時調整充電器的輸出參數(shù)，配合充電管理系統(tǒng)實現(xiàn)快速充電。

　　下圖是匹配聯(lián)發(fā)科的典型應用電路圖

　　針對MT6235/36平臺推出的AW3208在增加OVP功能的同時，提供了智能充電功能，以滿足快速充電的功能。如圖2所示，AW3208內置專有的K-ChargeTM技術，可根據(jù)芯片溫度智能調整輸出電流，以保證在充電期間整個充電系統(tǒng)的安全。使得手機在實現(xiàn)快速充電的時候不會因為由于環(huán)境溫度較高或者充電電流過大導致芯片進入過溫保護使得充電沒法正常進行。上圖為在MT6235、MT6236上的典型應用圖。

　　下圖是高通QC2.0的典型應用電路圖

　　三：快充技術原理-四大主流快充技術對比分析

　　其實總的來說，目前市面上手機所常見的快充技術基本上都來自于三家公司：高通、聯(lián)發(fā)科和OPPO，比如小米5就采用了QC3.0的快充技術。

　　1、高通Quick Charge

　　我們先來說一下高通，現(xiàn)在高通QC4.0已經(jīng)發(fā)布，但是目前市面上常見的高通Quick Charge快充標準大多為QC2.0和QC3.0兩種，相比于第一代時候的5V/2A固定電流電壓技術來說，QC2.0則提供了5V、9V和12V三個檔位的電壓，以及最大3A（一般手機適配器不會達到這么多）的電流。相較于QC1.0來說，充電速率上提升了很多。

　　我們以QC2.0來舉個例子，Quick Charge 2.0需要手機與充電器都符合這一標準才能使用，為了防止老版本手機在充電時被過大電流燒毀，充電器中還加入一個IC控制器判斷，當然，不符合Quick Charge標準的也有5V低電壓與1A電流伺候。

　　Quick Charge 2.0已經(jīng)融入到高通驍龍801處理器芯片中。目前支持這一技術的手機與相應的充電器搭配即可支持，例如小米4，三星S5或是HTC One M8，理論上，Quick Charge 2.0比傳統(tǒng)USB充電方式快75%。，能在30分鐘內為3300毫安時的電池充入60%的電量。

　　這項技術的局限性在與于芯片，這是高通的技術壁壘。雖然驍龍210這種入門貨也支持，但非高通芯片，比如魅族的三星Exynos，華為的海思，以及MTK6595等就沒辦法了。

　　其實QC2.0就已經(jīng)基本解決了充電功率方面的問題，如果再提高充電功率可能就會引發(fā)嚴重的手機發(fā)熱問題。所以QC3.0的出發(fā)點就是解決手機側的接收效率。

　　高通QC3.0相比QC2.0主要是增加了一個“最佳電壓智能調節(jié)”（Intelligent NegoTIaTIon for OpTImum Voltage，INOV）算法，可以以200mV為一個臺階進行智能調節(jié)，提供從5V到20V電壓的靈活選擇（原來的QC2.0只支持9V、12V、20V三個檔位）。這樣手機可以在不同充電階段，獲得恰到好處的電壓，達到預期的充電電流，使得電量損失最小化。

　　高通官方宣稱，QC3.0充電效率比QC1.0提高1倍，比QC2.0的提高了38%，是普通充電技術的4倍，能在大約35分鐘內將一部典型的手機從零電量充電到80%！

　　2、OPPO VOOC閃充

　　國產(chǎn)廠商OPPO自己研發(fā)了一種VOOC閃充方案，原理是恒壓加大電流，但又對這種方式進行了改良，他們的辦法是，恒壓高電流，將電流提升到了4.5A，由此加快速度。

　　常規(guī)手機的充電過程，是適配器將220V交流電降壓成5V直流電，在手機端通過充電控制電路調整為4.2V左右給電池充電，在電壓調控過程中因為功率的損耗會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象（這也是我們常說手機充電時候會發(fā)熱的緣故）。VOOC閃充技術將充電控制電路移植到了充電器，將發(fā)熱源移植到了適配器，轉移手機發(fā)熱問題。

　　VOOC閃充的充電器也有專門的芯片，名為MCU芯片，取代傳統(tǒng)充電中的充電控制電路。這顆芯片可以自動識別當前充電設備是否支持VOOC閃充。另外，它的充電口，雖然也是MicroUSB，但有7針，電池也是特制，觸點達到了8個。

　　專門的適配器、電池、數(shù)據(jù)線、電路、接口，所有這一切都滿足時候，才能開啟閃充，實現(xiàn)4.5A大電流輸出輸入。如果檢測到不支持，會自動使用穩(wěn)定充電電流實現(xiàn)慢速充電。

　　OPPO VOOC閃充對比1A及2A電流充電速度

　　3，聯(lián)發(fā)科快充技術——Pump Express

　　聯(lián)發(fā)科也推出了屬于自家的快充技術——Pump Express，而且跟OPPO杠上了，聯(lián)發(fā)科Pump Express 3.0快速充電技術，將一部手機電量從0沖到70%僅需20分鐘，預計今年年底正式應用。號稱充電5分鐘通話4小時，OPPO的告鋪天蓋地，但也只是充電5分鐘通話2小時。

　　聯(lián)發(fā)科Pump Express特點：允許充電器根據(jù)電流決定充電所需的初始電壓，由PMIC發(fā)出脈沖電流指令通過USB的Vbus傳送給充電器，充電器依照這個指令調變輸出電壓，電壓逐漸增加至高達5V 達到最大充電電流。

　　聯(lián)發(fā)科目前有兩種快充規(guī)格：

　?。?）Pump Express為快速直流充電器提供的輸出功率小于10W（5V），受控輸出電壓：5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V，主流輸出功率：5V/1A 5V/1.5A

　　（2）Pump Express Plus為充電器提供的輸出功率大于15W，其差別為受控輸出電壓增加了12V、9V 和7V 三個檔位，為12V/9V/7V/5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V。

　　聯(lián)發(fā)科MTP Pump Express Plus的原理和高通Quick Charge大同小異，都是在保證充電電流2A的基礎上，通過加大充電器到手機USB 端口的電壓來實現(xiàn)更大的充電功率。

　　4，TI MaxCharge

　　TI MaxCharge快充技術集成了5A單節(jié)鋰離子電池充電器電路，在電流高達5A的時候支持高達14V的輸入電壓。向下兼容高通Quick Charge 2.0的9V、12V兩檔電壓，對聯(lián)發(fā)科Pump Express Plus的7V、9V、12V支持也不在話下。與現(xiàn)有電池充電器相比，這款器件將充電時間減少一半以上，最高可將充電時間加少60%。