快充技術(shù)原理與典型應(yīng)用電路圖詳解

　　智能手機(jī)的興起使得手機(jī)耗電量急速上升，而成本、電池技術(shù)都限制了電池續(xù)航時(shí)間，在沒(méi)有辦法解決電池續(xù)航問(wèn)題的時(shí)候，為用戶提供更快的充電速度似乎成了解決手機(jī)待機(jī)問(wèn)題理所當(dāng)然的方法，在這個(gè)大背景下，現(xiàn)在的手機(jī)快充技術(shù)越來(lái)越多的被手機(jī)廠商們使用和青睞。

　　一：快充技術(shù)原理-快速充電原理

　　電池核心仍是鋰離子，大多數(shù)廠商走的，基本是“開(kāi)源”和“節(jié)流”兩條路——電池廠商努力提升能量密度加大容量，芯片廠商則在尋求低功耗方案，但這兩者都是有上限的：前者手機(jī)便攜性所限，后者是是技術(shù)限制。

　　既然開(kāi)源節(jié)流效果都不明顯，廠商就開(kāi)始采用“曲線救國(guó)“的方案：提高手機(jī)的充電速度，從常規(guī)的1-2小時(shí)變得更短，以此降低充電的時(shí)間成本，換取便捷性。

　　電池充電的基本條件是：充電器電壓要比電池電壓高，才能克服電池的電壓使它產(chǎn)生充電電流，完成電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。

　　初中物理都學(xué)過(guò)，功率（P）=電壓（U）x電流（I），在電池電量一定的情況，功率標(biāo)志著充電速度，可以通過(guò)下列三種方式來(lái)縮短充電時(shí)間：

　　1、電流不變，提升電壓

　　2、電壓不變，提高電流

　　3、電壓、電流兩者都提高

　　把充電比喻成水池蓄水，提升電壓，會(huì)對(duì)池壁帶來(lái)更大壓力，帶來(lái)安全隱患。所以單純采用提升電壓這種方式的還不多。

　　從物理計(jì)算公式上來(lái)說(shuō)，功率（P）=電壓（U）x電流（I），在電池電量一定的情況，功率標(biāo)志著充電速度，我們可以通過(guò)下列三種方式來(lái)縮短充電時(shí)間。

　　1、高電壓恒定電流模式：一般手機(jī)的充電過(guò)程是，先將220V電壓降至5V充電器電壓，5V充電器電壓再降到4.2V電池電壓。整個(gè)充電過(guò)程中，如果增大電壓，產(chǎn)生熱能，所以充電時(shí)，充電器會(huì)發(fā)熱，手機(jī)也會(huì)發(fā)熱。而且這樣功耗越大，對(duì)電池?fù)p害也是越大的。

　　2、低電壓高電流模式：在電壓一定的情況下，增加電流，可以使用并聯(lián)電路的方式進(jìn)行分流，恒定電壓下，進(jìn)行并聯(lián)分流之后每個(gè)電路所分擔(dān)的壓力越小，在手機(jī)中也進(jìn)行同樣處理的話，這個(gè)每條電路所承受的壓力也就越小。

　　3、高電壓高電流模式：這種方式同時(shí)增大電流與電壓，這樣由之前的公式P=UI，我們可以知道的是，這種方式是增大功率最好的辦法，但增大電壓的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的熱能，這樣其中所消耗的能量也是越多，并且電壓與電流不是無(wú)限制的隨意增大。

　　這三種方式有一個(gè)共同的問(wèn)題，那就是對(duì)充電器、手機(jī)以及充電數(shù)據(jù)線的電子元件要求更高。高通想利用其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)使得第三種方式，而OPPO選擇退而求其次，采用了第二種方式來(lái)提高充電效率。

　　恒壓提高電流是更普遍做法，目前手機(jī)標(biāo)配的適配器通常為5V/1A輸出，部分廠商將充電電流提升到了2A，一定程度上縮短了手機(jī)的充電時(shí)間，這確實(shí)是一種解決方案，但問(wèn)題是，首先，2A需要充電器和手機(jī)都支持才行，手機(jī)上也有控制器，并不是多大電流都能支持，如果用2A充電器給僅支持1A的手機(jī)充電，其實(shí)輸出也只有1A。

　　另外，電流不能無(wú)止境提升，大電流充電會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，如果發(fā)熱速度超過(guò)了散熱速度，又沒(méi)有保護(hù)機(jī)制，電池的溫度就會(huì)不斷升高，壽命降低甚至引起爆炸。所有的電子產(chǎn)品，充電器和產(chǎn)品本身都會(huì)限制最大電流。

　　目前提升充電功率的兩個(gè)方法，要么提升電壓，要么增加電流，要么電壓、電流均提高。并且只有經(jīng)認(rèn)證的手機(jī)端和適配器才能實(shí)現(xiàn)高效的充電效果。

　　首先充電器把家用電的220V降壓到5V輸出到手機(jī)Micro USB接口，然后手機(jī)內(nèi)部電路再降壓到4.3V左右給電池充電。這里面一共有兩個(gè)降壓的過(guò)程。

　　下面我們?cè)賮?lái)了解一下鋰電池充電時(shí)間與充電過(guò)程。

　　上圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為鋰電池電壓。由于鋰電池的特殊性，過(guò)壓或者欠壓都會(huì)導(dǎo)致電池報(bào)廢，所以現(xiàn)在的鋰電池充放電保護(hù)電路原理就是測(cè)量鋰電池電壓，再根據(jù)電壓判斷鋰電池是否處于正常狀態(tài)（非過(guò)壓、非欠壓）。

　　鋰電池的充電電流如上圖粉紅色線所示。鋰電池的充電分為三個(gè)階段，分別是恒流預(yù)充電、大電流恒流充電與恒壓充電。

　　當(dāng)電壓低于3.0V時(shí)，充電器會(huì)采用100mA電流對(duì)鋰電池進(jìn)行預(yù)充電，就是上圖C C Pre-charge階段，中文名字叫恒流預(yù)沖電階段，目的是慢慢恢復(fù)過(guò)放電的鋰電池，是一種保護(hù)措施來(lái)的。合格的充電器都會(huì)有這個(gè)充電階段。

　　然后與問(wèn)題有關(guān)的就來(lái)了。當(dāng)鋰電池電壓高于3.0V時(shí)，就進(jìn)入到第二階段，大電流恒流充電階段（C C Fast charge）。由于鋰電池經(jīng)過(guò)第一階段的預(yù)充，其狀態(tài)已經(jīng)比較穩(wěn)定了（預(yù)充階段的作用可以這樣理解~但并不嚴(yán)謹(jǐn)）。所以在第二階段，充電電流就可以適當(dāng)提高，根據(jù)不同的電池來(lái)說(shuō)，這個(gè)電流的大小可以從0.1C到幾C不等，其中C是指電池容量，如2600mAh的鋰電池，0.1C就是指260mA大小的電流。

　　在這一個(gè)充電階段中，國(guó)家建議的標(biāo)準(zhǔn)充電是用0.1C電流進(jìn)行充電的，這個(gè)就是標(biāo)準(zhǔn)充電。不過(guò)標(biāo)準(zhǔn)充電這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)由于提出的時(shí)間很早，十幾年前的就提出來(lái)。那時(shí)候因?yàn)殇囯姵丶夹g(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如現(xiàn)在穩(wěn)定（不允許大電流充電），所以才會(huì)有這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)~~~采用標(biāo)準(zhǔn)充電的唯一好處就是充電過(guò)程穩(wěn)定，發(fā)生爆炸之類的幾率非常?。蝗秉c(diǎn)就是費(fèi)時(shí)間?。。?/p>

　　而快速充電，就是指在這個(gè)階段用大于0.1C的電流進(jìn)行充電。如果鋰電池容量為2600mAh，那么標(biāo)準(zhǔn)充電的電流為260mA，只要充電電流大于260mA，就可以定義為快速充電了。不過(guò)就從目前的鋰電池水平與充放電管理芯片的水平來(lái)說(shuō)，用1C的電流充電都沒(méi)問(wèn)題。所以快速充電也沒(méi)有想象中的那么危險(xiǎn)。一般快速充電的充電電流為0.2~0.8C，所以快速充電還是安全的。由于近幾年來(lái)的提升，現(xiàn)在的充電器基本上都是快充類型的。

　　而鋰電池充電的最后一個(gè)階段為恒壓充電階段，這個(gè)階段就是檢測(cè)到鋰電池電壓等于4.2V時(shí)，充電器則進(jìn)入恒壓充電模式，這個(gè)階段充電電壓恒定為4.2V，充電電流則越來(lái)越?。錆M了，電流肯定變小~）。當(dāng)充電電流小于100mA時(shí)，就判斷電池充滿，切斷充電電路。

　　這一階段的特性，也可以解釋為什么手機(jī)指示充滿電后，拔出USB線再插進(jìn)去，手機(jī)又顯示繼續(xù)充電。

　　另外，需要說(shuō)一下的是：以上的充電是針對(duì)于單節(jié)鋰電池的最理想充電過(guò)程，目前的合格鋰電池充放電保護(hù)板都是這樣子工作的。

　　目前手機(jī)使用的電池都是鋰離子電池，在手機(jī)工作時(shí)，電池不斷放電，電池電壓不斷下降，電池放電的電流不同，電壓下降的曲線速率也不同，一般來(lái)說(shuō)，在電池電壓3.5V～4.2V之間集中了90%的電池能量。電池能量分布如下圖所示。

　　電池能量分布概圖

　　結(jié)合鋰電池的實(shí)際情況，一般手機(jī)的工作設(shè)置為當(dāng)鋰離子電池放電到一定程度時(shí)，會(huì)通過(guò)軟件設(shè)置為不能通話或者強(qiáng)行關(guān)機(jī)。深度放電對(duì)鋰離子電池的壽命會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，因此關(guān)機(jī)電壓一般設(shè)置為3.5V左右。從電池的能量分布以及手機(jī)使用的實(shí)際情況來(lái)看，影響充電時(shí)間最大的是在恒流充電階段的充電電流，目前主流手機(jī)設(shè)置的充電電流為450mA左右。如果想實(shí)現(xiàn)快速的充電，最切實(shí)可行的方法就是提高恒流的充電時(shí)間。鋰電池的最佳充電速率為1C，這意味著一個(gè) 1000 mAh的電池組要以1000mA的電流進(jìn)行快速充電，以這種速率充電可以實(shí)現(xiàn)最短的充電時(shí)間，而且不會(huì)降低電池組的性能及縮短使用壽命。對(duì)于容量不斷增加的電池，欲達(dá)到這種滿意的充電速率，提高充電電流值是不可避免的。

　　二：快充技術(shù)原理-快充方案典型應(yīng)用電路圖

　　快速充電方案包含兩個(gè)部分，充電器部分和電源管理部分，電源管理部分的芯片置于移動(dòng)智能終端內(nèi)，有獨(dú)立的電源管理芯片，也有的直接集成在手機(jī)套片中，電源管理芯片對(duì)鋰電池的整個(gè)充電過(guò)程實(shí)施管理和監(jiān)控，包含了復(fù)雜的處理算法，鋰電池充電包括幾個(gè)階段：預(yù)充階段、恒流充電階段，恒壓充電階段、涓流充電階段，充電管理芯片根據(jù)鋰電池充電過(guò)程的各個(gè)階段的電器特性，向充電器發(fā)出指令，通知充電器改變充電電壓和電流，而充電器接收到來(lái)自充電管理系統(tǒng)的需求，實(shí)時(shí)調(diào)整充電器的輸出參數(shù)，配合充電管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速充電。

　　下圖是匹配聯(lián)發(fā)科的典型應(yīng)用電路圖

　　針對(duì)MT6235/36平臺(tái)推出的AW3208在增加OVP功能的同時(shí)，提供了智能充電功能，以滿足快速充電的功能。如圖2所示，AW3208內(nèi)置專有的K-ChargeTM技術(shù)，可根據(jù)芯片溫度智能調(diào)整輸出電流，以保證在充電期間整個(gè)充電系統(tǒng)的安全。使得手機(jī)在實(shí)現(xiàn)快速充電的時(shí)候不會(huì)因?yàn)橛捎诃h(huán)境溫度較高或者充電電流過(guò)大導(dǎo)致芯片進(jìn)入過(guò)溫保護(hù)使得充電沒(méi)法正常進(jìn)行。上圖為在MT6235、MT6236上的典型應(yīng)用圖。

　　下圖是高通QC2.0的典型應(yīng)用電路圖

　　三：快充技術(shù)原理-四大主流快充技術(shù)對(duì)比分析

　　其實(shí)總的來(lái)說(shuō)，目前市面上手機(jī)所常見(jiàn)的快充技術(shù)基本上都來(lái)自于三家公司：高通、聯(lián)發(fā)科和OPPO，比如小米5就采用了QC3.0的快充技術(shù)。

　　1、高通Quick Charge

　　我們先來(lái)說(shuō)一下高通，現(xiàn)在高通QC4.0已經(jīng)發(fā)布，但是目前市面上常見(jiàn)的高通Quick Charge快充標(biāo)準(zhǔn)大多為QC2.0和QC3.0兩種，相比于第一代時(shí)候的5V/2A固定電流電壓技術(shù)來(lái)說(shuō)，QC2.0則提供了5V、9V和12V三個(gè)檔位的電壓，以及最大3A（一般手機(jī)適配器不會(huì)達(dá)到這么多）的電流。相較于QC1.0來(lái)說(shuō)，充電速率上提升了很多。

　　我們以QC2.0來(lái)舉個(gè)例子，Quick Charge 2.0需要手機(jī)與充電器都符合這一標(biāo)準(zhǔn)才能使用，為了防止老版本手機(jī)在充電時(shí)被過(guò)大電流燒毀，充電器中還加入一個(gè)IC控制器判斷，當(dāng)然，不符合Quick Charge標(biāo)準(zhǔn)的也有5V低電壓與1A電流伺候。

　　Quick Charge 2.0已經(jīng)融入到高通驍龍801處理器芯片中。目前支持這一技術(shù)的手機(jī)與相應(yīng)的充電器搭配即可支持，例如小米4，三星S5或是HTC One M8，理論上，Quick Charge 2.0比傳統(tǒng)USB充電方式快75%。，能在30分鐘內(nèi)為3300毫安時(shí)的電池充入60%的電量。

　　這項(xiàng)技術(shù)的局限性在與于芯片，這是高通的技術(shù)壁壘。雖然驍龍210這種入門貨也支持，但非高通芯片，比如魅族的三星Exynos，華為的海思，以及MTK6595等就沒(méi)辦法了。

　　其實(shí)QC2.0就已經(jīng)基本解決了充電功率方面的問(wèn)題，如果再提高充電功率可能就會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的手機(jī)發(fā)熱問(wèn)題。所以QC3.0的出發(fā)點(diǎn)就是解決手機(jī)側(cè)的接收效率。

　　高通QC3.0相比QC2.0主要是增加了一個(gè)“最佳電壓智能調(diào)節(jié)”（Intelligent NegoTIaTIon for OpTImum Voltage，INOV）算法，可以以200mV為一個(gè)臺(tái)階進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，提供從5V到20V電壓的靈活選擇（原來(lái)的QC2.0只支持9V、12V、20V三個(gè)檔位）。這樣手機(jī)可以在不同充電階段，獲得恰到好處的電壓，達(dá)到預(yù)期的充電電流，使得電量損失最小化。

　　高通官方宣稱，QC3.0充電效率比QC1.0提高1倍，比QC2.0的提高了38%，是普通充電技術(shù)的4倍，能在大約35分鐘內(nèi)將一部典型的手機(jī)從零電量充電到80%！

　　2、OPPO VOOC閃充

　　國(guó)產(chǎn)廠商OPPO自己研發(fā)了一種VOOC閃充方案，原理是恒壓加大電流，但又對(duì)這種方式進(jìn)行了改良，他們的辦法是，恒壓高電流，將電流提升到了4.5A，由此加快速度。

　　常規(guī)手機(jī)的充電過(guò)程，是適配器將220V交流電降壓成5V直流電，在手機(jī)端通過(guò)充電控制電路調(diào)整為4.2V左右給電池充電，在電壓調(diào)控過(guò)程中因?yàn)楣β实膿p耗會(huì)產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象（這也是我們常說(shuō)手機(jī)充電時(shí)候會(huì)發(fā)熱的緣故）。VOOC閃充技術(shù)將充電控制電路移植到了充電器，將發(fā)熱源移植到了適配器，轉(zhuǎn)移手機(jī)發(fā)熱問(wèn)題。

　　VOOC閃充的充電器也有專門的芯片，名為MCU芯片，取代傳統(tǒng)充電中的充電控制電路。這顆芯片可以自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前充電設(shè)備是否支持VOOC閃充。另外，它的充電口，雖然也是MicroUSB，但有7針，電池也是特制，觸點(diǎn)達(dá)到了8個(gè)。

　　專門的適配器、電池、數(shù)據(jù)線、電路、接口，所有這一切都滿足時(shí)候，才能開(kāi)啟閃充，實(shí)現(xiàn)4.5A大電流輸出輸入。如果檢測(cè)到不支持，會(huì)自動(dòng)使用穩(wěn)定充電電流實(shí)現(xiàn)慢速充電。

　　OPPO VOOC閃充對(duì)比1A及2A電流充電速度

　　3，聯(lián)發(fā)科快充技術(shù)——Pump Express

　　聯(lián)發(fā)科也推出了屬于自家的快充技術(shù)——Pump Express，而且跟OPPO杠上了，聯(lián)發(fā)科Pump Express 3.0快速充電技術(shù)，將一部手機(jī)電量從0沖到70%僅需20分鐘，預(yù)計(jì)今年年底正式應(yīng)用。號(hào)稱充電5分鐘通話4小時(shí)，OPPO的告鋪天蓋地，但也只是充電5分鐘通話2小時(shí)。

　　聯(lián)發(fā)科Pump Express特點(diǎn)：允許充電器根據(jù)電流決定充電所需的初始電壓，由PMIC發(fā)出脈沖電流指令通過(guò)USB的Vbus傳送給充電器，充電器依照這個(gè)指令調(diào)變輸出電壓，電壓逐漸增加至高達(dá)5V 達(dá)到最大充電電流。

　　聯(lián)發(fā)科目前有兩種快充規(guī)格：

　　（1）Pump Express為快速直流充電器提供的輸出功率小于10W（5V），受控輸出電壓：5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V，主流輸出功率：5V/1A 5V/1.5A

　　（2）Pump Express Plus為充電器提供的輸出功率大于15W，其差別為受控輸出電壓增加了12V、9V 和7V 三個(gè)檔位，為12V/9V/7V/5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V。

　　聯(lián)發(fā)科MTP Pump Express Plus的原理和高通Quick Charge大同小異，都是在保證充電電流2A的基礎(chǔ)上，通過(guò)加大充電器到手機(jī)USB 端口的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)更大的充電功率。

　　4，TI MaxCharge

　　TI MaxCharge快充技術(shù)集成了5A單節(jié)鋰離子電池充電器電路，在電流高達(dá)5A的時(shí)候支持高達(dá)14V的輸入電壓。向下兼容高通Quick Charge 2.0的9V、12V兩檔電壓，對(duì)聯(lián)發(fā)科Pump Express Plus的7V、9V、12V支持也不在話下。與現(xiàn)有電池充電器相比，這款器件將充電時(shí)間減少一半以上，最高可將充電時(shí)間加少60%。