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走過現在放眼未來 快充技術新史觀
一起體驗『快』

【作者: 王岫晨】   2019年05月09日 星期四

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隨著智慧手機、筆電和其他數位電子設備日常使用量的增加,在考慮更換新設備時,更快的電力傳輸已成為一個越來越重要的考量因素。因此,快速充電已經成為消費者選購產品的關鍵需求之一。目前市面上快速充電產品也有諸多選擇,包括高通陣營的QC與蘋果陣營的USB PD等。有鑑於此,充分瞭解快速充電的原理與特色,是正確選擇快速充電技術的不二法門。


快速充電的原理


圖一 : 數位裝置普及,更快的電力傳輸已成為一個重要考量因素。目前市面上快充技術包括高通陣營的QC與蘋果陣營的USB PD。
圖一 : 數位裝置普及,更快的電力傳輸已成為一個重要考量因素。目前市面上快充技術包括高通陣營的QC與蘋果陣營的USB PD。

當快速充電進行時,它給大多數人留下的第一印象是讓充電速度更快速。但『快速』究竟意味著什麼呢?事實上,充電速度是以瓦特數(W)來加以測量,瓦特數則是由伏特和安培的乘積計算(W=IV)。換句話說,電池的功率越高,它的充電速度就越快。


通常來說,只要電池可以提供大於 9W(5V與1.8A)的充電電流,就可以視為是快速充電。很顯然,高通的QC2.0、QC3.0及USB PD技術等,都是現在快速充電的主流技術。


在簡單了解快速充電是什麼之後,我們還需要知道它們是如何運作的。基本上,每個電池由一個正電極、一個負電極和電解質組成,電解質透過催化將化合物轉化為新物質,並且在電極中形成電子的離子,驅動電子流到電池的負極,並向智慧手機來提供電荷。


然而,充電速度與稱為充電控制器的元件有關,該充電控制器可調節進出電池的整體電流。通常,鋰離子控制器透過通過測量電池的電流和電壓,來定義電池充電的電流(以安培為單位),然後調節流入的電流。更大的電流和更高的電壓則可以更快地為電池充電。


高通QC與USB PD

快速充電是一種專有技術,可以為電池供電的設備(主要是智慧手機)充電,其電平將高於大多數USB標准所允許的5V和2A。市場上有許多快速充電協議,包括三星和OPPO VOOC的自適應快速充電,但其中以高通的QC(Quick Charge)和USB-IF標準的USB PD是最常用的快速充電協議。若要利用高通Quick Charge,相關設備都必須要支援QC規範。


至於USB PD(Power Delivery)則是USB-IF組織所推的標準協議,它可以透過任何USB連接來實現供電,但需要新的連接器和電纜線,才能支援完整的USB 2.0連接。目前採用Power Delivery的知名手機品牌是Apple的iPhone,只要透過USB Type-C到Lightning接口,便可以享受PD快速充電的便利。



圖二 : 大多數智慧手機不需要超過18w的充電,目前高通QC技術被大多數Android陣營智慧手機廣泛採用。
圖二 : 大多數智慧手機不需要超過18w的充電,目前高通QC技術被大多數Android陣營智慧手機廣泛採用。

只不過,消費者可能得額外花費購買才能使用PD技術,因為Apple本身並不提供任何這些設備。與QC相較之下,Power Delivery可以支援高達20V的電壓,並且可以提供最高100W的充電瓦數。


從Quick Charge說起

Quick Charge 3是高通所開發,目前市面上最為普及的快速充電技術,它適用於現有的USB 2.0連接器和電纜線,可為充電設備提供18W功率峰值,而USB電池充電標準可支援7.5W功率,這是對QC2的改進升級版本。基本上兩者都允許18W的充電功率。QC2可以在9V或12V下運行,而QC3則可在高達20V的增量電壓下運作。當然,身為Qualcomm專有的技術,Quick Charge僅適用於高通的行動處理器。


值得注意的是,高通公司過去曾宣布Quick Charge 4.0版本將與Power Delivery兼容。換句話說,Quick Charge 4.0版本將具備與PD溝通的能力,但其實仍然可以通過一些升級來實現與Quick Charge 3.0相容的能力。



圖三 : 高通最新版的Quick Charge 4+標準,充電速度比起QC4快上了15%。
圖三 : 高通最新版的Quick Charge 4+標準,充電速度比起QC4快上了15%。

Quick Charge的核心充電技術不僅包括協調電池的充電電壓,還包括充電系統本身如何在硬體中運作。對於高通公司來說,讓整個包含電源管理器的單晶片系統,能夠將充電過程納入其規範中,這樣的過程具有一定程度的意義。


鋰離子電池快充原理

快速充電無非就是要讓手機的鋰電池能夠快速充滿電能,為此我們有必要深入研究充電過程如何實際加快電池充電週期的速度。一般來說,智慧手機和其他電子設備中所使用的鋰離子電池,其充電方式並非是以線性方式充電。我們可將鋰離子電池的充電週期分為兩個不同的階段。


第一個階段是增加電壓並以恆定電流來進行充電。電池電壓從低於2V穩定地增加到其充電時的4.2V峰值,這電壓值取決於電池種類。電池在此階段吸收最高峰值電流,在電池電壓達到峰值之前將保持不變。在此之後,電壓變得恆定,而電流開始下降。此時電池充電中所消耗的電流更少,因此充電速度也放慢。這就是為什麼手機的前50%或60%的充電時間要快得多。


快速充電技術利用的正是一開始這段恆定電流階段。在電池達到峰值電壓之前,盡可能地讓更多電流流入電池。因此,當鋰離子電池的電量低於50%時,也是快速充電技術最有效的時段,但當電池電量超過80%之後,快速充電就幾乎沒有什麼效果。順便一提的是,第一階段的恆定電流充電是對電池長期健康最不利的時期,而較高的恆定電壓以及熱量則將對電池壽命造成影響。


在整個充電過程中,透過手機內部的充電控制器,來控制所傳遞給電池的電壓和電流量。結合溫度和電壓感測器便可以進行電流量的管控,來最佳化電池的充電速度和長期健康狀況。


Power Delivery存在的意義

現在來看看USB PD(Power Delivery)。PD是USB-IF組織所推廣的標準協議,在這協議之下,可以透過任何USB的連接來實現充電目的,但過程需要新的連接器和電纜線才能完整支援USB 2.0連接器充電,因此他並不會在短期之內就超過Type-A或Type-B連接器。Apple的iPhone可支援USB Type-C到Lightning接口的PD充電,在iPhone 8和X機型上採用的是USB Type C。


與QC一樣,PD可以支援高達20V的電壓,但是透過type-C型電纜線,則可以支援高達60W或100W的充電。USB-IF所關注的是USB接口以及周圍的條件,至於系統端則交給每個設備製造商去進行電源管理的相關設計。



圖四 : 蘋果的iPhone 8和X機型支援PD快充,透過type-C電纜線,可以支援高達100W的充電。然而手機並不需要如此高的充電瓦數。
圖四 : 蘋果的iPhone 8和X機型支援PD快充,透過type-C電纜線,可以支援高達100W的充電。然而手機並不需要如此高的充電瓦數。

有件事情值得關注,目前大多數手機都不需要超過18W的充電瓦數。Apple公司的iPhone 8與X等機型充電瓦數約在12-14W左右。其實說穿了,PD是一個標準,除了Apple之外,任何人都可以使用它,且PD是專為比手機大得多的設備而設計的。因此包括Apple、Google和其他幾家公司都將Type-C與PD用於筆記型電腦上。


Google將其筆電支援PD與QC等規範,主要原因在於這是由USB-IF協會所定義,獨立於製造商之外的充電標準,不必擔心為人作嫁,且針對平板電腦和筆記型電腦的充電範圍也都可滿足。事實上,對比於高通的QC技術,Google認為USB-PD才是快充技術的未來。儘管現階段Google尚未強制要求所有設備都採用PD規範,但強烈建議將其用於未來的Android系統上。


高通的算盤是什麼?

PD可以提供更高的功率輸出,然而大多數手機不需要超過18w的充電,這是高通QC技術被大多數Android手機廣泛採用的主因。

比較起來,PD可以提供更高的功率輸出,然而實際上,大多數智慧手機不需要超過18w的充電,這就是為什麼高通的QC快速充電技術被大多數Android陣營智慧手機所廣泛採用的主因(另一原因也是因為QC支援的是高通處理晶片,而高通處理器多只用於Android手機上)。Power Delivery身為任何人都可以使用的廣泛標準,其設計上更適用於筆記型電腦和家用電器等大型設備上。



圖五 : 在車用環境支援快速充電或許是下一階段的發展目標。
圖五 : 在車用環境支援快速充電或許是下一階段的發展目標。

放眼目前,高通已經發佈了Quick Charge 4版本,甚至還有4+的規格。這些版本可解決包括USB供電時無法管理的電源協調,以及雙電池充電設備的相關問題。由於PD規格在快充市場上逐漸成為產業界認定的主流,因此高通推出Quick Charge 4版本究竟有多大意義還得觀察。然而Quick Charge 4將與PD規格兼容,換句話說,它將能與PD溝通,更白話一點就是能夠相容更早期的Quick Charge版本。


結語

若要說USB PD的好處,當然是怎麼講都講不完。USB PD是一種非常好用的供電標準,在這個標準之下,各種設備都能夠共享一個充電器,甚至可以無縫地相互供電。特別是在這個每個人都有好幾個隨身行動裝置的時代,一種統一的充電標準將會是一個十分受到歡迎的改變。然而,除非消費者擁有很多個支援USB PD充電的設備,不然很難感受到這些好處。



圖六 : 比起一般智慧手機,USB PD更適合針對筆電或平板等裝置進行快充。
圖六 : 比起一般智慧手機,USB PD更適合針對筆電或平板等裝置進行快充。

有件事情不得不提,儘管USB PD有點很多,然而與其說它為充電功能帶來了重大轉變,現階段它卻是個不折不扣的奢侈品。畢竟一般人不會使用超高功率充電模式來為自己的智慧手機充電,到目前為止PD也沒辦法用比其他標準更快的速度來為手機進行充電。除此之外,USB PD還增加了電路設計的額外複雜度和開發成本,相較之下,USB Type-C的15W充電能力,就足以在短短30分鐘內為一般的智慧手機電池充電。


我們可以這樣觀察,智慧手機其實不需具備特殊供電模式即可進行快速充電,但對於USB快速充電技術的支援,對於未來的多行動裝置使用需求,將會成為一種更可靠的選擇。


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