淺談手機(jī)充電器的發(fā)展衍變和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

東莞市奧?？萍脊煞萦邢薰?郭修根

手機(jī)，目前已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一個(gè)工具，在過(guò)往的二十年里，手機(jī)經(jīng)歷了由單純的移動(dòng)電話到智能多媒體終端發(fā)展的一個(gè)過(guò)程。隨著手機(jī)功能的增多，耗電量也成倍增加，手機(jī)電池也同步加大，同時(shí)也引發(fā)了手機(jī)充電器的變革。

在本世紀(jì)初，手機(jī)得到了較好的普及，此時(shí)的手機(jī)實(shí)質(zhì)上就只是一個(gè)移動(dòng)電話，僅提供打接電話的功能，并且均為小屏幕黑白機(jī)，配備500mA以下的鋰離子電池，充滿一次電后，可以維持手機(jī)待機(jī)5-7天，這個(gè)時(shí)候的手機(jī)充電器多為線性電源，由一個(gè)線性變壓器加整流穩(wěn)壓電路構(gòu)成，效率比較低下，普遍不到50%.輸出多為5V500mA，充滿一次手機(jī)約2.5個(gè)小時(shí)。

圖1 手機(jī)充電的模型圖

如圖1所示，充電器輸出電壓經(jīng)過(guò)反向阻斷二極管，采樣電阻，功率三極管流至手機(jī)電池，對(duì)手機(jī)電池進(jìn)行充電。電池標(biāo)稱電壓一般為3.7V，充滿后電壓一般為4.2V，而充電器的輸出電壓一般為5V，那么，經(jīng)過(guò)這條回路后，多余的電壓將消耗在三極管上，因此，三極管上將有較高的功率損耗，轉(zhuǎn)換效率較低，所以，這種充電模式，只適用充電電流不大的手機(jī)，早期的功能機(jī)電池容量較小，使用這種電路就可以滿足需求，整體成本也較低廉。

在本世紀(jì)初一直到10年代未，手機(jī)充電器一直遵守上述的原理，充電電流也有加大，但基本都維持在700mA以下，期間為了節(jié)約能源，減小充電器的體積，充電器由原線性電源發(fā)展至開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源又由早期的RCC電路，逐步過(guò)渡到IC方案電路。但是手機(jī)內(nèi)部的充電電路基本上沒(méi)有發(fā)生變化。

直到本世紀(jì)10年代初期，彩屏智能手機(jī)開(kāi)始普及，電池也逐漸增大至2000-3000mAH，原有的5V500mA，700mA充電器如果用來(lái)充這種智能手機(jī)，那將導(dǎo)致充電時(shí)間達(dá)到5-6個(gè)小時(shí)，這是消費(fèi)者難以接受的（早年消耗者接受的充電時(shí)間一般在2.5小時(shí)左右）。這個(gè)時(shí)候，高通（Qualcomm）站出來(lái)說(shuō)話了：試試5V2A吧，于是就有了QC1.0。高通的QC1.0只是一個(gè)單純加大電流的充電解決方案。隨著充電電流的加大，手機(jī)內(nèi)部如原圖1所示的電路，將會(huì)在三極管上引發(fā)極大的熱量，我們假定充電器的輸出電壓為5.2V，線路損耗0.2V，電池電容低時(shí)，電池電壓為3.7V，反向阻斷二極管上的壓降為0.6V，限流電阻上壓降為0.1V（其它線路損耗暫忽略不計(jì)），則三極管上所消耗的功率P=UI=(5.2-0.2-3.7-0.6-0.1)*2=1.2W，如此勢(shì)必導(dǎo)致三極管極速發(fā)熱，最終引發(fā)手機(jī)的溫度快速上升。解決方案有兩種：（1）將三極管改大或改為mos管，加大其散熱面積，可以知道，這種方式，可以有所緩解，但治標(biāo)不治本，較難有質(zhì)的改變。（2）將三極管改為開(kāi)關(guān)集成電路，這種開(kāi)關(guān)電路有較高的轉(zhuǎn)換效率，因此發(fā)熱較少。這種開(kāi)關(guān)電路和一些保護(hù)控制電路集成在一起，就成了我們常說(shuō)的電源管理集成電路（PMIC）。

圖2

如圖2所示，PMIC實(shí)質(zhì)上為DC TO DC的開(kāi)關(guān)電源外加控制電路組成，開(kāi)關(guān)電源將手機(jī)充電器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為電池所需的輸入電壓，開(kāi)關(guān)電源有較高的轉(zhuǎn)換效率，一般都達(dá)到90%以上，因此，相對(duì)之前的三極管降壓電路，發(fā)熱減少了很多，所以，可以通過(guò)更大的充電電流。

5V2A的充電方式用了近兩年的時(shí)間，隨著琳瑯滿目APP的增多以及WIFI和3G網(wǎng)絡(luò)的普及，手機(jī)的屏幕逐漸加大，消費(fèi)者使用手機(jī)的頻次也大大增加，手機(jī)一天充多次的情況經(jīng)常出現(xiàn)。而每次充電約3個(gè)小時(shí)的時(shí)間變得讓消費(fèi)者較難接受，尤其是在白天的工作時(shí)間段，一邊要外出辦理事情，一邊還要等待手機(jī)充滿，大大影響了工作效率。在電池容量體積比不能快速增加的情況下，消費(fèi)者就把希望寄托于充電時(shí)間的加快。

然后傳統(tǒng)的Micro USB接口受物理限制，2A的電流已經(jīng)達(dá)到一個(gè)上限值，在不改變其物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再加大電流將引入風(fēng)險(xiǎn)。這個(gè)時(shí)候(2014年)QC2.0應(yīng)運(yùn)而生。

圖3

QC2.0最大電流還是控制在2A，但將輸出電壓提高至9V甚至12V（需要協(xié)議的支持，在協(xié)議不匹配的情況下，還是輸出默認(rèn)的5V），這樣功率就加大到最大24W(實(shí)際上考慮成本和發(fā)熱的問(wèn)題，典型值多為15W)，這個(gè)輸出電壓通過(guò)數(shù)據(jù)線加載到手機(jī)端的PMIC上，PMIC再轉(zhuǎn)換為電池所需的電壓給電池充電。因?yàn)槌潆姽β始哟罅耍猿潆娝俣纫布涌炝?。?dāng)然，快速充電的模式，對(duì)電池也提出更高的要求，需要電池能夠承認(rèn)大電流的沖擊。這種提升電壓的快充方式，不需要改變接口及數(shù)據(jù)線的物理結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的通用性。并且，因?yàn)殡妷禾岣吡耍v使使用了內(nèi)阻較大的數(shù)據(jù)線，也對(duì)充電速度影響較小。以5V1.8A和9V1A為例。見(jiàn)圖3，5V1.8A的線路損耗P=I*I*R=1.8*1.8*(0.3+0.2+0.1)=1.944W，損耗占總功率百分比＝1.944/9=21.6%，而同等功率的9V1A，在數(shù)據(jù)線不變的情況下，線路損耗為P=I*I*R=1*1*(0.3+0.2+0.1)=0.6W，損耗占總功率百分比＝0.6/9=6.6%，同樣功率的充電器，使用智能快充時(shí)，損耗將減少15%，這將有利于提升充電速度，減少能源浪費(fèi)．同時(shí)，因?yàn)閿?shù)據(jù)線及手機(jī)端的損耗減少，發(fā)熱也將會(huì)有所降低。

QC2.0這種充電模式，使充電模式有了跨越性的進(jìn)步，同期，其它廠商也推出了類同于這種充電模式的其它制式，如三星的AFC，華為的FCP，MediaTek的PE+1.1，充電模式和QC2.0基本一致，需要說(shuō)明的是，其它幾種協(xié)議都是靠D+，D-來(lái)傳遞信號(hào)，數(shù)據(jù)線必須含D+，D-兩條線，而PE+1.1是靠電流的波動(dòng)來(lái)傳遞協(xié)議信號(hào)，只有要Vbus和GND線就可以，無(wú)需D+和D-。以QC2.0充電器作評(píng)測(cè)，一臺(tái)約3000mAH電池的手機(jī)，充滿大概需要1.5小時(shí)。而在1小時(shí)左右，就可以將電量充滿至80%左右，滿足你出差在外一天的需求。QC2.0基本滿足了消耗者對(duì)充電速度的要求，但隨之而來(lái)的是，很多消耗者反饋充電時(shí)手機(jī)發(fā)熱很大，尤其表現(xiàn)在邊充邊用的時(shí)候，手機(jī)發(fā)燙，這是因?yàn)镻MIC轉(zhuǎn)換功率加大，發(fā)熱增多所引發(fā)的，它給消費(fèi)者帶來(lái)非常不好的體驗(yàn)，在這種情形下，高通在2015年適時(shí)推出了改進(jìn)版的QC3.0。

QC3.0總的充電架構(gòu)和QC2.0沒(méi)有太大的分別，還是通過(guò)提升電壓來(lái)提升充電功率。只是在QC2.0時(shí)代，電壓只有5V，9V，12V（Class B支持20V）這幾個(gè)檔位，QC3.0則是連續(xù)可調(diào)輸出電壓。PMIC的效率和兩端的壓差有較大的關(guān)聯(lián)，而隨著手機(jī)電池電量的變化，PMIC兩端的電壓也發(fā)生變化，PMIC不能始終保持最高效率下工作。而新改進(jìn)的QC3.0，電壓以0.2V為步進(jìn)，可以通過(guò)協(xié)議協(xié)商，調(diào)整充電器的輸出電壓，保證在任何充電時(shí)刻，PMIC兩端的壓降都一樣，獲取最高的效率，見(jiàn)圖4示例，通過(guò)程序預(yù)設(shè)手機(jī)充電所需要的電壓，根據(jù)充電的不同時(shí)段，手機(jī)要求充電器提供相應(yīng)的電壓，讓其始終保證PMIC兩端的電壓為3.8V(PMIC最佳工作壓差--假設(shè)值)，也即最大程度的減少發(fā)熱。而發(fā)熱和充電功率加大是個(gè)反作用的問(wèn)題，發(fā)熱減少，同等條件下則可以再提升充電的功率，達(dá)到更快充電的目的。

圖4

類同于QC3.0充電模式的，還有PE+2.0，這里就不再詳述，QC3.0充電模式改善了手機(jī)的發(fā)熱，可以進(jìn)一步加大電流，在6V輸出的時(shí)候要求電流必須達(dá)到3A，用18W的QC3.0充電器充電實(shí)測(cè)，可以在約40分鐘的時(shí)間內(nèi)，讓一臺(tái)容量為3000mAH的手機(jī)充至80%，讓消費(fèi)者的體驗(yàn)更好。細(xì)心的讀者可能會(huì)注意到，3A的電流已經(jīng)超過(guò)了Micro USB接口的上限，這個(gè)時(shí)候，廠商已經(jīng)開(kāi)始使用Type C的接口，在后面我們會(huì)更一步描述。

看上去，充電器到了這個(gè)階段，滿足需求是已經(jīng)沒(méi)有太大的問(wèn)題，但是，消費(fèi)者的體驗(yàn)是無(wú)上限的，手機(jī)廠商為了獲取更大的賣點(diǎn)，而欲進(jìn)一步提升充電的速度。剛才說(shuō)到，QC3.0模式在充電時(shí)，保證了手機(jī)端PMIC的發(fā)熱最小，然而，再小的發(fā)熱也是發(fā)熱，在極致的追求下，這個(gè)發(fā)熱是難以被接受的。這個(gè)時(shí)候，拿掉PMIC，直接對(duì)電池充電的充電模式進(jìn)入新的時(shí)代，百家爭(zhēng)鳴。如果需要對(duì)電池直接充電，那么，需要的電壓是較低的（通常為4.35V以下），而又要實(shí)現(xiàn)快充的目的，則只有加大電流(通常為5A)，之前，受限于MicroUSB接口最大可通過(guò)2A電流，這種充電模式，必須采用特定非標(biāo)的接口，以O(shè)公司5V5A低壓直充為例，在原有的MicroUSB 5PIN的接口上，兩邊各增加1個(gè)PIN，用來(lái)傳輸功率。很顯然，這種充電方便不適用于一般的數(shù)據(jù)線，5A的電流將對(duì)普通數(shù)據(jù)線易造成過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，實(shí)際的情形是，手機(jī)廠商考慮到這方面的問(wèn)題，通過(guò)一些檢測(cè)限定電路，在數(shù)據(jù)線或手機(jī)不匹配的時(shí)候降為普通的5V2A充電。手機(jī)端除了直通的通路外，也會(huì)還有一路普通用作于5V2A充電PMIC。

圖5

如圖5所示，當(dāng)充電器，數(shù)據(jù)線，手機(jī)三者都匹配時(shí)，程序判定可以進(jìn)入低壓快充階段，S1開(kāi)關(guān)合上，充電器的輸出電壓直接加到手機(jī)電池上，PMIC不起作用，損耗為零，獲取最佳的充電效果，當(dāng)三者有一方不匹配時(shí)，S1斷開(kāi)，充電走普通的PMIC通道，啟用5V2A普通充電模式。

可以看出，這種充電模式，接口和線材都需要定制，在早年，僅有個(gè)別手機(jī)廠商在使用，沒(méi)有成為主流。但隨著2016年USB-IF推出了Type C接口，給這種充電模式提供了新的契機(jī)，新的type C接口最大可以承載5A的電流（＞3A的數(shù)據(jù)線需要用到E-mark），擺脫了原MicroUSB接口最大只能承載2A電流的限制，且還支持正反插，線據(jù)線由原來(lái)的定制可以變的相對(duì)通用。各大手機(jī)廠商，芯片廠商開(kāi)始重新投入這一塊的研究及應(yīng)用，開(kāi)始進(jìn)入百花齊放的階段，華為的SCP，M公司的超級(jí)閃充，高通的QC4.0，MediaTek公司的PE+3.0，OPPO公司的VOOC，協(xié)議上雖有所不同，但充電模式上都大同小異。至此，一種新的充電模式，大放光彩----充電X分鐘，通分X小時(shí)。

低壓直充應(yīng)該是已經(jīng)將充電模式用到極致了，但隨之而來(lái)也衍生了一些問(wèn)題，大的電流（5A）需要一條較粗的數(shù)據(jù)線，Typc C線電流超過(guò)3A則需要用到E-mark芯片，整體的成本將上升，同時(shí)大的電流也更容易引發(fā)安全事故。并且，5A電流已經(jīng)是type C線的上限，那么，充電器的最大功率最限制在25W(實(shí)際最大為4.2*5=21W)，要想增大功率加快充電速度已經(jīng)無(wú)能為力?？瓷先ヒ呀?jīng)山窮水盡，但是，科技的進(jìn)步是永無(wú)止境的，一種新的電源管理IC--電荷泵的出現(xiàn)，給我們帶來(lái)充電模式的又一村。以圖6所示dialog公司的DA9318為例，它支持最大20V的輸入，輸出則精準(zhǔn)的限定為輸入電壓的一半(Vin/2)，它擁有極高的效率（＞98%），單顆最大功率達(dá)到44W，如果我將充電器輸出設(shè)為10V2.25A，那么在通過(guò)如下IC后將轉(zhuǎn)換為5V5A，這顆IC的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)98%，損耗可以小到忽略不計(jì)，這就是高壓直充的由來(lái)。

圖6

圖7 手機(jī)充電器的發(fā)展歷程

高壓直充在充電的效果上是等同于低壓直充的，但在同等功率下，高壓直充充電器輸出的電流僅為低壓直充的一半，對(duì)數(shù)據(jù)線的要求就大大降低了，在30W以下，使用不帶E-mark的個(gè)新的技術(shù)，早在1891年特斯拉就提出過(guò)這個(gè)概念，2012年Nokia就有了支持無(wú)線充電的手機(jī)。無(wú)線充目前也主要作為手機(jī)一個(gè)輔助的充電模式，讓消費(fèi)者獲得了更好的體驗(yàn)，但在充電方面，因目前多為5W和10W，總體的充電速度遠(yuǎn)不如插線的充電器。

最后，用圖7所示總結(jié)一下手機(jī)充電器的發(fā)展歷程。

充電器發(fā)展到現(xiàn)在，還能發(fā)展嗎？答案是肯定的，消耗者的追求及技術(shù)的進(jìn)步是無(wú)止境的，就算半個(gè)3A的線材就能滿足。之前的低壓直充25W己接近功率上限，再要加高，則需要非標(biāo)的type C線材，而采用高壓直充后，使用標(biāo)準(zhǔn)的type C線，可以做到高達(dá)50W的輸出功率。

說(shuō)到充電器，USB-IF是不可逾越的一家組織，Mini USB，Micro USB，Type C等接口都是這個(gè)組織定義出來(lái)的，USB-IF在快充的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布上，走的比較平緩，直至2012年才發(fā)布PD1.0，2014年更新為PD2.0，類同QC2.0的模式，但支持7組電壓輸出，最多達(dá)到20V，其宗旨在于兼容更多的設(shè)備，統(tǒng)一電源。而在2017年元旦前后，USB-IF突然發(fā)布PPS(Programmable Power Supply)，設(shè)立四組APDO，最高支持3.3-21V按20mV，50mA為步進(jìn)連續(xù)可調(diào)，同時(shí)，高通也表示接納PPS協(xié)議。至此，單從電源輸出的角度上來(lái)說(shuō)，PPS已經(jīng)涵蓋了市面上所有的充電方式：QC2.0，QC3.0，QC4.0，PE+1.1，PE+2.0，SCP，F(xiàn)CP，AFC，VOOC，高壓直充等，當(dāng)然，這只是從技術(shù)的角度，現(xiàn)實(shí)的情況是目前各大的手機(jī)品牌商都推自己的私有協(xié)議VDM（Vendor Defined Message），相互設(shè)置瓶頸，如要真正做到兼容，還需要各家協(xié)議的相互開(kāi)放，才能真正的一統(tǒng)充電器的天下，看上去，USB-IF正在做這個(gè)事情，讓我們拭目以待。

還是應(yīng)該說(shuō)說(shuō)APPLE，從Ipone4到現(xiàn)在的IponeX，蘋果千年不變的標(biāo)配5V1A充電器，可以看出蘋果在快充這一領(lǐng)域相對(duì)是比較保守的。但從消耗者對(duì)IphoneX的測(cè)評(píng)來(lái)看，iphoneX可支持到PD2.0充電，從零充到80%約45分鐘（采用標(biāo)配的充電器需要約2小時(shí)）。以此是不是可以認(rèn)為蘋果也開(kāi)始在走快充之路呢？

說(shuō)一下充電器的另一個(gè)分支--無(wú)線充，無(wú)線充并不是一小時(shí)能充滿手機(jī)，也未必能讓消費(fèi)者完全滿意，隨著石墨烯等材料的出現(xiàn)，即充即滿的充電方式會(huì)成為未來(lái)的趨勢(shì)，只要一插上電，幾秒的時(shí)間內(nèi)，就可以將一部電量為零的手機(jī)立馬充滿，要實(shí)現(xiàn)這種效果，未來(lái)的手機(jī)充電器功率可能會(huì)超百瓦，需要有更多的安全防護(hù)機(jī)制，讓我們更多期待！

引文

①YDT 1591-2009 移動(dòng)通信終端電源適配器及充電/數(shù)據(jù)接口技術(shù)要求和測(cè)試方法[S].

②GB4943.1-2011信息技術(shù)設(shè)備 安全[S].

③YD 1268-2003移動(dòng)通信手持機(jī)銼電池及充電器的 安全要求和試驗(yàn)方法[S].

④移動(dòng)通信終端快速充電技術(shù)要求和測(cè)試方法——審批稿[S].

⑤Dialog公司DA9318芯片datasheet[S].