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快充功率翻倍飆升 安全把關成一大要點
 

【作者: 施莉芸】   2019年05月13日 星期一

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快充技術從2014年起開始於市場上蓬勃發展,各大手機品牌也相繼以「快速充電」做為一大賣點,例如,高通就針對搭載高通處理器的手機推出QuickCharge 快充技術(簡稱QC),華為也為搭載麒麟處理器的機種,開發SuperCharge 快充技術;OPPO也在去年將其快充規格從VOOC閃充,升級成SuperVOOC超級閃充;而聯發科也推出Pump Express(簡稱PE)技術。



圖一 : 在發展高功率快充的同時,安全與也是多數使用者非常在意的問題。
圖一 : 在發展高功率快充的同時,安全與也是多數使用者非常在意的問題。

以目前手機快充規格來說,每間廠牌各有不同標準與技術,為了讓將來無論手機、筆電、平板…等各項裝置能夠有更統一的充電規格,USB-IF協會便於2012年訂定電源線與供應器規範 USB-PD(USB Power Delivery),將裝置分為1~5級,利用不同額定功率,在充電中裝置和充電器會自動判斷該用多大的電流充電,讓不同廠牌、甚至不同裝置,都可以透過一條USB來充電。


其中,2018年發布的USB PD 3.0版本中,不僅可同時為多個設備供電,並提供輸送高達100W的功率,無須為每個設備配備專用AC適配器外,更提供快速角色交換(FRS)及可編程電源(PPS)的功能,使電流能夠雙向傳輸,並快速轉換「受電」及「供電」角色,以避免突然斷電之情況發生,並滿足各技術流派的快充方式。



圖二 : USB-PD利用不同額定功率,讓所認證之不同廠牌、甚至不同裝置,都可以透過一條USB來充電。
圖二 : USB-PD利用不同額定功率,讓所認證之不同廠牌、甚至不同裝置,都可以透過一條USB來充電。

目前包含高通、聯發科、OPPO等品牌所推出的部分快充規格,皆符合USB PD規格;而在手機市場則包含蘋果iPhone8後機型、小米、Razer、宏達電及LG等品牌,皆推出支援USB-PD 3.0協議的手機;此外,其他如三星、LG及蘋果等大廠,也已經向歐盟承諾未來將會在手機、平板推出Type-C接口的充電線。


當USB PD標準允許輸送功率高達100W,且快充市場龐大而無章的狀況下,也不免讓人擔心,是否有存在於電線或設備中的缺陷,可能將導致過熱,或甚至火災的風險。

首先,就讓我們談談手機快充的安全性與保護措施吧。


目前在手機裝置快充上推出的最大輸出功率,已經從10W飛速升級來到50W,甚至小米更宣稱,已研發出功率高達100W的Super Charge Turbo 超級快充技術,雖說在小米品牌總監林斌發表的影片中,實測最高功率約在88W左右,不過這仍能顯示出:手機快充功率已經翻倍提升。


事實上,小米並非第一間展示出高功率快充的品牌,早在MWC 2016,OPPO便頭一次展現其SuperVOOC(超級閃充)的技術原型:5V16A、功率80W,號稱在15分鐘內便能將2500mAh容量的電池充滿,不過非常可惜地,在2018年期發表的產品中,電壓電流參數卻變成10V5A、輸出功率50W。


以目前的快充技術而言,主要可分為「提高充電電壓」,「加大充電電流」,以及「同時提升電壓及電流」三種技術流派。


在電池保護機制上,各廠商的做法都不太一樣,多數快充主要是縮短0%到50%的充電時間,50%之後會持續降低功率,轉為「涓滴充電」,藉由調整充電功率,並搭配手機內建充電IC、電池設計等方式來保護電池及保障充電安全。然而,快充功率的提升也容易對散熱及電池造成影響。


在發展高功率快充的同時,安全與否也是多數使用者非常在意的問題,也因此不少廠商都提出各項保護裝置,或送由第三方認證單位進行測試,以確保自家產品不會在使用過程中不會發生過熱起火,或其他造成人身安全危害的事件發生。


手機快充功率飆升 安全性成最大疑慮

以目前市面上最常見的快充品牌來說,多數品牌在自家產品中,會設計一套安全防護機制,透過智能溫控技術,或加大數據線能夠搭載的電流流量,以防止充電過程中因過熱或短路,預防進而導致的火災或其他危害。


以高通所推出QC4+版本來看,在此版本後便增強其雙重充電(Dual Charge)技術、智慧溫控系統。利用電池節電器(buttery saver)在多個級別與整個充電過程中進行保護,以幫助準確測量電壓、電流及溫度,透過同時監控設備適配器和埠的溫度,以防止過熱、短路或對Type-C埠的損壞,保護電池、系統、電線及連接器,在提升充電安全性的同時也延長電池循環壽命。


另一方面,華為的SuperCharge快充技術近年也突破過去5V2A的限制,利用「電荷泵技術」,透過低壓大電流的模式,將手機快充功率拉抬至40W。


不同於雙電芯快充,在最近該品牌發布的40W超級快充技術則是使用直流-直流轉換器的「電荷泵技術」,將電容器作為儲能元件進行電壓轉換,再以受控方式釋放電量,打破Type-C 5A的限制,將電量透過4A的通道送到手機,進入Type-C後,再由電荷泵將充電電壓降至5V左右,同時將電流從4A提升到8A,實現5V/8A的低壓大電流快充技術。


在安全方面,華為Mate從第9代開始,便採用5大安全保護點,在每個保護點上設置三層保護網,從充電器、Type-C接頭、智能通電晶片、電流分流器、電芯,一共建立5層安全電壓保護網、5層安全電流保護網、5層溫度監控保護網的15層安全保護機制,進行監測電壓、電流,以及溫度監控的保護。


此外,華為也針對電荷泵技術增加智能監控與智慧感溫系統,一旦手機溫度過熱時,手機會通知充電器智能調節電壓及電流,透過感測手機溫度,讓手機在充電時能能在安全的狀態下,保持最高充電功率。


第三方認證助力測試快充安全性

雖然市面上品牌都在其快充方案中提供安全保護措施,不過充電功率的翻倍提升,也讓電纜或設備中的缺陷是否將導致過熱,以及假冒的產品流入市面的問題浮出檯面,這些都將是在安全上需要考量的問題。


事實上,針對通過USB-IF認證的裝置,該協會也建立用於認證設備的USB Type-C Authentication驗證(C-AUTH),作為USB Type-C充電器、裝置、USB線材及電源裝置的驗證標準協定,可支援USB 資料匯流排或USB Power Delivery協定進行驗證,以防止數據被竄改或非法使用。


一旦主機系統(如筆電、平板電腦等)在USB裝置或充電器插入並讀取到憑證(certificate)時,C-AUTH便會啟動,判斷這些裝置是否為合法的解密裝置,藉此降低PC遭插入非法或惡意Type-C裝置及充電器的風險。


另一方面,以目前手機快充而言,為了防止產品在使用過程中,可能產生的危險將造成人身傷害或財物損失,目前包含德國萊因TUV(德國技術監督協會)與國際安全科學機構UL等,都是提供手機快充認證計畫的第三方認證機構。


德國萊因TUV安全認證系統,主要從電器安全、充電速度、充電兼容、環境條件四個維度進行驗證,並在充電器、線材、IC、電池及終端五個面向進行測試。


此外,德國萊因TUV的安全認證更包含多種多樣的環境條件測試,包含千次循環測試、600次獨立的快充快放電池壽命循環測試、帶電狀態下充電埠一萬次插拔測試、攝氏-33度~+55度嚴苛溫度區間的充電系統測試等。



圖三 : 以目前快充發展來看,在研發上雖然已經連行動裝置都能達到100W的快充輸出功率,不過事實上,要達到量產階段,似乎也還有一段路要走。
圖三 : 以目前快充發展來看,在研發上雖然已經連行動裝置都能達到100W的快充輸出功率,不過事實上,要達到量產階段,似乎也還有一段路要走。

而在快充技術方面,UL便提出快速充電測試與認證。一方面為了確保開發充電協議的廠商測試充電電源與手機端能否使用正確的溝通協議,正確地互相認識;另一方面也因為即使有溝通協議規範,但產品也可能因設計不同、用料不同而有安全上的差異,因此也針對製造商提出確保產品能安全地進行大能量的傳輸的認證。


以目前快充發展來看,在研發上雖然已經連行動裝置都能達到100W的快充輸出功率,不過事實上,要達到量產階段,似乎也還有一段路要走。雖然在研發階段一切都似乎非常理想,不過一旦進入到量產階段,要以合理的價格設計出既可靠、好用且通過認證的產品,卻也成為理想設計夭折的原因。


::::: 更多訊息 :::::

USB PD 3.0協議 FRS與PPS

快速角色交換(Fast Role Swap, FRS)


FRS透過使用Type-C連接器的CC接腳來控制及初始化,一旦電源從擴充基座移除,將會利用驅動CC接腳到接地電位(Ground potential)向當前供電設備發出訊號。而USB PD 3.0協議更要求在150μs或更短的時間內實現,無需重新連接電纜或中斷系統操作,將可顯著提高USB充電效率。


可編程電源(Programmable Power Supply, PPS)


PPS提供逐步改變電壓及電流的功能,不僅從早期規範的5V固定電壓,擴充至3.0V~21V,可同時滿足「高壓低電流」與「低壓大電流」兩大流派的快速充電;也可調整電壓幅度為20Mv,實現低壓大電流直充。PPS透過逐步改變電壓和電流,將可以減少充電期間轉換損耗。


雙電芯快充


雙電芯快充是根據串聯分壓的原理,在充電器端輸出的高壓電載入電芯時,將電壓分散至每塊電芯上,以確保兩電芯在充電過程中皆保持於安全電壓下。


同時串聯雙電壓省去高電壓進入手機內部再降壓的過程,可避免發熱與效率的損失,相較傳統充電技術轉化效率僅80%左右,串聯雙電芯充電轉化率高達98%。


OPPO便是利用這項技術,以採用10V5A的充電規格,將其SuperVOOC超級閃充最高功率拉升至50W,並採用3C規格的ATL電芯提升其硬體基礎,讓SuperVOOC能夠承載最高5A的輸出電流,進而大幅提升充電速度。


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