快速充電器發(fā)展現(xiàn)狀與電氣安全

朱曉棟 柯思藝 王世栩 陸永麗

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 上海 201114）

引言

在過去的20年中，手機(jī)以其體積小，可隨身攜帶的優(yōu)勢，速度替代了家庭電話，成為廣泛使用的通訊設(shè)備。在普及的過程中，手機(jī)也跟隨消費(fèi)者的需求以及技術(shù)的提升，不斷創(chuàng)新迭代：從功能機(jī)到智能手機(jī)，從按鍵手機(jī)到觸屏手機(jī)，從2G通訊到如今5G時代。上述的每次技術(shù)更新不僅僅推動了產(chǎn)業(yè)發(fā)展，更擴(kuò)充了消費(fèi)者的使用場景。毫不夸張的說，在日常生活、工作、社交，無處不與手機(jī)息息相關(guān)，因此對手機(jī)的續(xù)航能力有了更高的要求。“充電器”、“數(shù)據(jù)線”和“電池”是組成手機(jī)充電系統(tǒng)的三個關(guān)鍵部件，礙于高容量電池研究進(jìn)展緩慢，各廠商不斷技術(shù)創(chuàng)新，快速充電器成為了發(fā)展的熱點。

1 主流快充協(xié)議及充電特點

1.1 高通QC協(xié)議

2013年高通正式發(fā)布QC 1.0快充協(xié)議，配合電池管理芯片，將之前普遍使用的5 V，1 A輸出規(guī)格提高到5 V，2 A。隨后在2014～2015年先后推出QC 2.0/QC 3.0，至此開啟高壓充電模式。QC 2.0/QC 3.0協(xié)議將輸出電壓擴(kuò)展到了5 V、9 V、12 V、20 V，并且QC 3.0在QC 2.0的基礎(chǔ)上優(yōu)化了直流電壓轉(zhuǎn)化效率，其支持輸出電壓在3.6 V至20 V之間，以200 mV步進(jìn)浮動。得到了各廠商普遍認(rèn)可并且廣泛采用。隨后陸續(xù)發(fā)布QC 4.0、QC 4.0+，直至2020年7月，高通發(fā)布QC 5.0，可支持最高20 V，100 W的輸出功率，并且與PD協(xié)議兼容。

然而最早推出快充的高通并沒能實現(xiàn)統(tǒng)一快充標(biāo)準(zhǔn)的愿望。各手機(jī)廠商出于商業(yè)利益和產(chǎn)權(quán)保護(hù)，研發(fā)獨有知識產(chǎn)權(quán)的快充協(xié)議。

1.2 VOOC系列快充協(xié)議

2014年oppo發(fā)布VOOC協(xié)議充電手機(jī)，該協(xié)議支持5 V，4 A輸出規(guī)格。與同時期主流使用的高通QC 2.0協(xié)議的9 V，2 A輸出規(guī)格形成鮮明對比。在當(dāng)時，高通的方案以提高手機(jī)輸入電壓達(dá)到提高輸入功率，加快充電速度的目的，而VOOC協(xié)議快充方案是以提高手機(jī)輸入電流的方法達(dá)到同樣效果。相比增大電壓的QC 2.0協(xié)議方案，VOOC協(xié)議具有手機(jī)發(fā)熱小，安全性能高的優(yōu)點，但高輸入電流的VOOC快充對手機(jī)數(shù)據(jù)線的電流承載能力也有了更高的要求，至此數(shù)據(jù)線也成為了手機(jī)充電系統(tǒng)的重要組成部分。經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，VOOC協(xié)議已經(jīng)演進(jìn)到了VOOC 4.0（5 V，6 A）。2018年，oppo推出了50 W（10 V，5 A）的 superVOOC快充協(xié)議充電器，2019年，oppo推出了65 W（10 V，6.5 A）的 SuperVOOC 2.0快充協(xié)議充電器，并且兼容部分PD和QC協(xié)議。

1.3 SCP/FCP協(xié)議

SCP全 稱 Super Charge Protocol，F(xiàn)CP全 稱 Fast Charger Protocol，二者都是華為自家的私有協(xié)議。FCP協(xié)議誕生較早，采用的是類似QC 2.0和PE協(xié)議的“高壓型小電流”方案，輸出規(guī)格為9 V，2 A（18 W）。2016年后，華為推出了全新的SCP協(xié)議（5 V，4.5 A和4.5 V，5 A，22.5 W），采用的是類似OPPO的“低壓大電流”方案，好處同樣是在增大功率的同時，減少發(fā)熱。后來在這一協(xié)議的基礎(chǔ)上，華為又增加了電荷泵技術(shù)，將充電器輸出的10 V，4 A，通過手機(jī)內(nèi)部芯片轉(zhuǎn)為5 V，8 A，實現(xiàn)了40 W的超級快充。目前最新款mate40系列手機(jī)的SCP協(xié)議充電器已支持到11 V，6 A。

1.4 USB PD協(xié)議

PD協(xié)議是USB IF組織推行的快充協(xié)議，它最顯著的特點是通過 Type-C 接口進(jìn)行輸出，除了帶來更方便的插拔體驗，這種技術(shù)還可以在相對更小的體積下實現(xiàn)最高 100 W功率的電力傳輸。谷歌一直以來是推動PD協(xié)議的中堅力量，由于谷歌公司在安卓底層系統(tǒng)擁有絕對的話語權(quán)。2019年谷歌做出明確規(guī)定，要求所有使用USB接口、帶安卓系統(tǒng)的快充終端必須兼容PD協(xié)議。至此確立了PD協(xié)議在快速充電協(xié)議中的主導(dǎo)地位。目前PD協(xié)議最新版本為PD 3.0，符合PD 3.0協(xié)議的充電器可以支持5 V， 9 V， 12 V，15 V，20 V這些電壓，并且和QC 3.0一樣支持電壓浮動，最小調(diào)節(jié)單位為20 mV。支持最大電流為5 A。

2 快速充電器混用對手機(jī)充電性能的影響

為了更直觀的體現(xiàn)快充對手機(jī)性能的影響，選擇了4臺市場上熱門的手機(jī)和囊括了主流快充協(xié)議的手機(jī)充電器作為研究對象。在各手機(jī)電量處于20 %饋電狀態(tài)下，使用不同的充電器對手機(jī)進(jìn)行充電，并且使用功率計對充電電壓、電流進(jìn)行實時監(jiān)控，在充電過程中，記錄最大充電功率狀態(tài)下對應(yīng)的電壓和電流。結(jié)果詳見表1～表3。

表1 試驗手機(jī)及支持的快充技術(shù)

表2 充電器及支持的協(xié)議

表3 充電試驗記錄

通過對比試驗結(jié)果，可得知：

1）使用手機(jī)原裝充電器均能發(fā)揮手機(jī)良好的充電效率。

2）對比表2中各充電器協(xié)議所支持的協(xié)議，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谌降某潆娖骺斐鋮f(xié)議覆蓋原裝充電器的快充協(xié)議時，也能得到良好的充電效果。例如：序號為3、9、10、11的充電器均能給vivo Y5s手機(jī)提供良好的充電功率。

3）當(dāng)手機(jī)不支持快充充電器的協(xié)議時，充電器將仍使用5 V的充電電壓或者較低的充電電流，進(jìn)行低功率充電。此時快速充電器與普通充電器并明顯無區(qū)別。

3 快速充電器的電氣安全分析

根據(jù)充放電試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過仔細(xì)對比可發(fā)現(xiàn)試驗過程中存在1個疑點：充電器樣品序號：5（VCA7GACH，第三方充電器）和6（VCA7JACH，oppo原裝充電器），均支持VOOC系列協(xié)議，額定輸出規(guī)格也相同，為什么在與協(xié)議兼容手機(jī)（OPPO K5）的試驗后，得到的充電功率有較大差異？

帶著上述疑問，決定對5號、6號充電器樣品進(jìn)行拆解，試圖從結(jié)構(gòu)上分析尋找原因。經(jīng)對比，兩款充電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較大的差異：總結(jié)如下：

1）雖然兩款充電器在安全結(jié)構(gòu)上都使用了隔離變壓器，安規(guī)電容，光電耦合器作為初次級隔離，但5號充電器中的變壓器無型號和廠商信息，并且初次級繞組之間未做有效隔離，次級繞組線末端無套管防護(hù)，從圖1中可看出次級繞組線已經(jīng)對絕緣膠帶造成損壞。上述安全防護(hù)設(shè)計的缺失都將直接導(dǎo)致產(chǎn)品的電氣間隙和爬電距離不符合我國信息技術(shù)類產(chǎn)品強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。對比之下，6號充電器的變壓器次級側(cè)使用三層絕緣線與初級繞組隔離，并且變壓器靠近印制板處包含擋墻設(shè)計，對變壓器初次級做了有效隔離，見圖2，因此安全考慮十分周全。

圖1 5號充電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 6號充電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2）5號充電器初級電容和變壓器之間使用硅膠安裝了一塊金屬塊（見圖1），通過觀察發(fā)現(xiàn)，金屬塊與任何元器件都無接觸，其目的僅為了增加產(chǎn)品重量，以次充好。6號充電器背面（見圖3）設(shè)計一塊擋板，穿過印制板將初次級隔開，上表面設(shè)計一塊金屬板，此金屬板與印制板背面次級發(fā)熱元器件接觸，起到實際的散熱作用。

圖3 6號充電器散熱和絕緣設(shè)計

3）5號充電器次級側(cè)并沒有標(biāo)志性的快充協(xié)議芯片，而6號充電器在USB輸出側(cè)有一顆VOOC快充協(xié)議管理芯片（見圖4）。

圖4 5號（左側(cè)）和6號（右側(cè)）芯片

通過上述拆解分析，可以基本認(rèn)定5號充電器產(chǎn)品設(shè)計不符合國家CCC標(biāo)準(zhǔn)要求，雖然外殼上標(biāo)有國家CCC標(biāo)志，但通過CQC官網(wǎng)并未查詢到認(rèn)證信息，實為假冒偽劣產(chǎn)品。因此產(chǎn)品輸出性能不理想就得到了解釋。

4 結(jié)束語

回顧手機(jī)充電系統(tǒng)的發(fā)展歷程，為了響應(yīng)國家環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為減少電子垃圾，實現(xiàn)可重復(fù)利用，國家和行業(yè)通過不斷的努力，目前已經(jīng)基本實現(xiàn)了充電器輸出接口[2]和手機(jī)充電口的統(tǒng)一。然而快充技術(shù)的統(tǒng)一仍然路途遙遠(yuǎn)，需要得到各廠商的支持。USB IF組織的PD協(xié)議為此做出了努力，但出于商業(yè)考量，各廠商在產(chǎn)品設(shè)計中，PD協(xié)議輸出功率仍無法覆蓋到廠商私有協(xié)議的最大功率。另一方面，快充充電器的高利潤促使市場出現(xiàn)了普通消費(fèi)者無法分辨的高仿、假冒產(chǎn)品，給人民生活帶來了極大的安全隱患。唯有廠商拿出智慧，統(tǒng)一快充標(biāo)準(zhǔn)，降低制造成本，才能避免不必要的資源浪費(fèi)。