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走过现在放眼未来 快充技术新史观
一起体验『快』

【作者: 王岫晨】2019年05月09日 星期四

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图一 : 数位装置普及,更快的电力传输已成为一个重要考量因素。目前市面上快充技术包括高通阵营的QC与苹果阵营的USB PD。
图一 : 数位装置普及,更快的电力传输已成为一个重要考量因素。目前市面上快充技术包括高通阵营的QC与苹果阵营的USB PD。

随着智慧手机、笔电和其他数位电子设备日常使用量的增加,在考虑更换新设备时,更快的电力传输已成为一个越来越重要的考量因素。因此,快速充电已经成为消费者选购产品的关键需求之一。目前市面上快速充电产品也有诸多选择,包括高通阵营的QC与苹果阵营的USB PD等。有监於此,充分了解快速充电的原理与特色,是正确选择快速充电技术的不二法门。


快速充电的原理

当快速充电进行时,它给大多数人留下的第一印象是让充电速度更快速。但『快速』究竟意味着什麽呢?事实上,充电速度是以瓦特数(W)来加以测量,瓦特数则是由伏特和安培的乘积计算(W=IV)。换句话说,电池的功率越高,它的充电速度就越快。


通常来说,只要电池可以提供大於 9W(5V与1.8A)的充电电流,就可以视为是快速充电。很显然,高通的QC2.0、QC3.0及USB PD技术等,都是现在快速充电的主流技术。


在简单了解快速充电是什麽之後,我们还需要知道它们是如何运作的。基本上,每个电池由一个正电极、一个负电极和电解质组成,电解质透过催化将化合物转化为新物质,并且在电极中形成电子的离子,驱动电子流到电池的负极,并向智慧手机来提供电荷。


然而,充电速度与称为充电控制器的元件有关,该充电控制器可调节进出电池的整体电流。通常,锂离子控制器透过通过测量电池的电流和电压,来定义电池充电的电流(以安培为单位),然後调节流入的电流。更大的电流和更高的电压则可以更快地为电池充电。


高通QC与USB PD

快速充电是一种专有技术,可以为电池供电的设备(主要是智慧手机)充电,其电平将高於大多数USB标准所允许的5V和2A。市场上有许多快速充电协议,包括三星和OPPO VOOC的自适应快速充电,但其中以高通的QC(Quick Charge)和USB-IF标准的USB PD是最常用的快速充电协议。若要利用高通Quick Charge,相关设备都必须要支援QC规范。


至於USB PD(Power Delivery)则是USB-IF组织所推的标准协议,它可以透过任何USB连接来实现供电,但需要新的连接器和电缆线,才能支援完整的USB 2.0连接。目前采用Power Delivery的知名手机品牌是Apple的iPhone,只要透过USB Type-C到Lightning接囗,便可以享受PD快速充电的便利。



图二 : 大多数智慧手机不需要超过18w的充电,目前高通QC技术被大多数Android阵营智慧手机广泛采用。
图二 : 大多数智慧手机不需要超过18w的充电,目前高通QC技术被大多数Android阵营智慧手机广泛采用。

只不过,消费者可能得额外花费购买才能使用PD技术,因为Apple本身并不提供任何这些设备。与QC相较之下,Power Delivery可以支援高达20V的电压,并且可以提供最高100W的充电瓦数。


从Quick Charge说起

Quick Charge 3是高通所开发,目前市面上最为普及的快速充电技术,它适用於现有的USB 2.0连接器和电缆线,可为充电设备提供18W功率峰值,而USB电池充电标准可支援7.5W功率,这是对QC2的改进升级版本。基本上两者都允许18W的充电功率。QC2可以在9V或12V下运行,而QC3则可在高达20V的增量电压下运作。当然,身为Qualcomm专有的技术,Quick Charge仅适用於高通的行动处理器。


值得注意的是,高通公司过去曾宣布Quick Charge 4.0版本将与Power Delivery兼容。换句话说,Quick Charge 4.0版本将具备与PD沟通的能力,但其实仍然可以通过一些升级来实现与Quick Charge 3.0相容的能力。



图三 : 高通最新版的Quick Charge 4+标准,充电速度比起QC4快上了15%。
图三 : 高通最新版的Quick Charge 4+标准,充电速度比起QC4快上了15%。

Quick Charge的核心充电技术不仅包括协调电池的充电电压,还包括充电系统本身如何在硬体中运作。对於高通公司来说,让整个包含电源管理器的单晶片系统,能够将充电过程纳入其规范中,这样的过程具有一定程度的意义。


锂离子电池快充原理

快速充电无非就是要让手机的锂电池能够快速充满电能,为此我们有必要深入研究充电过程如何实际加快电池充电周期的速度。一般来说,智慧手机和其他电子设备中所使用的锂离子电池,其充电方式并非是以线性方式充电。我们可将锂离子电池的充电周期分为两个不同的阶段。


第一个阶段是增加电压并以恒定电流来进行充电。电池电压从低於2V稳定地增加到其充电时的4.2V峰值,这电压值取决於电池种类。电池在此阶段吸收最高峰值电流,在电池电压达到峰值之前将保持不变。在此之後,电压变得恒定,而电流开始下降。此时电池充电中所消耗的电流更少,因此充电速度也放慢。这就是为什麽手机的前50%或60%的充电时间要快得多。


快速充电技术利用的正是一开始这段恒定电流阶段。在电池达到峰值电压之前,尽可能地让更多电流流入电池。因此,当锂离子电池的电量低於50%时,也是快速充电技术最有效的时段,但当电池电量超过80%之後,快速充电就几??没有什麽效果。顺便一提的是,第一阶段的恒定电流充电是对电池长期健康最不利的时期,而较高的恒定电压以及热量则将对电池寿命造成影响。


在整个充电过程中,透过手机内部的充电控制器,来控制所传递给电池的电压和电流量。结合温度和电压感测器便可以进行电流量的管控,来最隹化电池的充电速度和长期健康状况。


Power Delivery存在的意义

现在来看看USB PD(Power Delivery)。PD是USB-IF组织所推广的标准协议,在这协议之下,可以透过任何USB的连接来实现充电目的,但过程需要新的连接器和电缆线才能完整支援USB 2.0连接器充电,因此他并不会在短期之内就超过Type-A或Type-B连接器。Apple的iPhone可支援USB Type-C到Lightning接囗的PD充电,在iPhone 8和X机型上采用的是USB Type C。


与QC一样,PD可以支援高达20V的电压,但是透过type-C型电缆线,则可以支援高达60W或100W的充电。USB-IF所关注的是USB接囗以及周围的条件,至於系统端则交给每个设备制造商去进行电源管理的相关设计。



图四 : 苹果的iPhone 8和X机型支援PD快充,透过type-C电缆线,可以支援高达100W的充电。然而手机并不需要如此高的充电瓦数。
图四 : 苹果的iPhone 8和X机型支援PD快充,透过type-C电缆线,可以支援高达100W的充电。然而手机并不需要如此高的充电瓦数。

有件事情值得关注,目前大多数手机都不需要超过18W的充电瓦数。Apple公司的iPhone 8与X等机型充电瓦数约在12-14W左右。其实说穿了,PD是一个标准,除了Apple之外,任何人都可以使用它,且PD是专为比手机大得多的设备而设计的。因此包括Apple、Google和其他几家公司都将Type-C与PD用於笔记型电脑上。


Google将其笔电支援PD与QC等规范,主要原因在於这是由USB-IF协会所定义,独立於制造商之外的充电标准,不必担心为人作嫁,且针对平板电脑和笔记型电脑的充电范围也都可满足。事实上,对比於高通的QC技术,Google认为USB-PD才是快充技术的未来。尽管现阶段Google尚未强制要求所有设备都采用PD规范,但强烈建议将其用於未来的Android系统上。


高通的算盘是什麽?

PD可以提供更高的功率输出,然而大多数手机不需要超过18w的充电,这是高通QC技术被大多数Android手机广泛采用的主因。

比较起来,PD可以提供更高的功率输出,然而实际上,大多数智慧手机不需要超过18w的充电,这就是为什麽高通的QC快速充电技术被大多数Android阵营智慧手机所广泛采用的主因(另一原因也是因为QC支援的是高通处理晶片,而高通处理器多只用於Android手机上)。Power Delivery身为任何人都可以使用的广泛标准,其设计上更适用於笔记型电脑和家用电器等大型设备上。



图五 : 在车用环境支援快速充电或许是下一阶段的发展目标。
图五 : 在车用环境支援快速充电或许是下一阶段的发展目标。

放眼目前,高通已经发布了Quick Charge 4版本,甚至还有4+的规格。这些版本可解决包括USB供电时无法管理的电源协调,以及双电池充电设备的相关问题。由於PD规格在快充市场上逐渐成为产业界认定的主流,因此高通推出Quick Charge 4版本究竟有多大意义还得观察。然而Quick Charge 4将与PD规格兼容,换句话说,它将能与PD沟通,更白话一点就是能够相容更早期的Quick Charge版本。


结语

若要说USB PD的好处,当然是怎麽讲都讲不完。USB PD是一种非常好用的供电标准,在这个标准之下,各种设备都能够共享一个充电器,甚至可以无缝地相互供电。特别是在这个每个人都有好几个随身行动装置的时代,一种统一的充电标准将会是一个十分受到欢迎的改变。然而,除非消费者拥有很多个支援USB PD充电的设备,不然很难感受到这些好处。



图六 : 比起一般智慧手机,USB PD更适合针对笔电或平板等装置进行快充。
图六 : 比起一般智慧手机,USB PD更适合针对笔电或平板等装置进行快充。

有件事情不得不提,尽管USB PD有点很多,然而与其说它为充电功能带来了重大转变,现阶段它却是个不折不扣的奢侈品。毕竟一般人不会使用超高功率充电模式来为自己的智慧手机充电,到目前为止PD也没办法用比其他标准更快的速度来为手机进行充电。除此之外,USB PD还增加了电路设计的额外复杂度和开发成本,相较之下,USB Type-C的15W充电能力,就足以在短短30分钟内为一般的智慧手机电池充电。


我们可以这样观察,智慧手机其实不需具备特殊供电模式即可进行快速充电,但对於USB快速充电技术的支援,对於未来的多行动装置使用需求,将会成为一种更可靠的选择。


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