《電子技術(shù)應(yīng)用》
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手機(jī)充電太慢 這些快充技術(shù)能幫上你

2015-08-13

  很多人心中都有這樣一個疑問,為什么今天智能手機(jī)硬件參數(shù)不斷飆升,但最受關(guān)注的電池續(xù)航技術(shù)卻沒能跟上步伐呢?手機(jī)廠商在追求產(chǎn)品輕薄化設(shè)計時顯然已經(jīng)無路可走,然而在持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品內(nèi)部設(shè)計、系統(tǒng)功耗之時,消費(fèi)者并不能接受新產(chǎn)品僅維持與舊產(chǎn)品一樣續(xù)航表現(xiàn)的事實(shí)。雖說電池技術(shù)遭遇的瓶頸短期內(nèi)無法被解決,但那些逐漸普及的快充、閃充技術(shù)倒是讓我們看到了星星之火可以燎原之勢。

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  手機(jī)鋰電池充電原理

  現(xiàn)階段智能手機(jī)普遍使用的是鋰離子電池。鋰離子電池最初在上世紀(jì)70年代制成,經(jīng)過20年的技術(shù)積累,索尼率先將這種技術(shù)商用化。當(dāng)其他高科技電池技術(shù)還處于概念化階段時,鋰離子電池在各個產(chǎn)品線中的地位堪稱是統(tǒng)治級的。

  平時我們每天都會給手機(jī)充電,但很少有人研究過鋰電池的充電方式。簡單科普一下,鋰離子電池的充電過程會分為四個階段:低壓預(yù)充、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。

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  鋰電池的充電方式是限壓恒流的,整個過程由IC芯片控制,它首先會檢查手機(jī)充電電池的電壓狀況,如果電壓低于3V會先進(jìn)行預(yù)充電,此時充電電流為設(shè)定電流的1/10。當(dāng)電壓提升到3V之后會進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)充電的過程中。這時會以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電,而電池電壓升到4.2V時會改為恒壓充電,同時保持充電電壓在4.2V的基礎(chǔ)上進(jìn)行,此時充電的電流會逐漸下降,直到電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時充電結(jié)束。一般的鋰電池充電過程會在2個小時以上。

  我們也可以用測量電壓的方式估算電池剩余電量:4.2V—100%;3.95V—75%;3.85V—50%;3.73V—25%;3.5V—5%;2.75V—0%。

  快充:萬變不離“P=UI”

  那么快速充電又是怎么回事呢?大家都知道P(功率)=U(電壓)I(電流)這個基礎(chǔ)公式吧。在保證充電器電壓比電池電壓高的情況下,快速充電就是讓充電過程中根據(jù)電池電壓、電量甚至溫度等動態(tài)參數(shù)實(shí)時讓充電器來調(diào)整輸入電壓、輸出電流,具體來說分為三個方式。

  1、提升電壓,恒定電流:這種方式會產(chǎn)生大量熱能,功耗也會增加,對電池和手機(jī)有損害;

  2、恒定電壓,提升電流:在并聯(lián)電路下進(jìn)行分流,每個電路承擔(dān)的壓力減?。?/p>

  3、提高電壓、提高電流:雖然這樣是增加功率、提升充電速度的最快方法,但同第一點(diǎn)一樣,同時增加電壓、電流會產(chǎn)生更多熱量,從而加大電池與設(shè)備的自身消耗;

  經(jīng)過幾年的技術(shù)積累,目前市面上已經(jīng)有了一些快充代表性案例。

  高通Quick Charge

  2012年發(fā)布的高通Quick Charge 1.0技術(shù)最高支持10W的充電功率,也就是說在5V充電電壓下電流能達(dá)到2A。而13年發(fā)布的Quick Charge 2.0技術(shù)則在1.0的基礎(chǔ)上將充電功率提升到36W,縮短了充電時間。

  Quick Charge 2.0分為了A級和B級兩種標(biāo)準(zhǔn),A級適用于手機(jī)、平板和其他電子設(shè)備。高通官方數(shù)據(jù)稱Quick Charge 2.0 A級標(biāo)準(zhǔn)最大充電電流為3A,如果在5V情況下,充電功率為15W,因此充電速度比10W的Quick Charge 1.0更快。

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  舉個例子更好理解,配合使用9V/1.67A充電器的話,設(shè)備充電效率會提升75%。比如對一塊3300mAh容量的電池進(jìn)行半小時的充電,Quick Charge 2.0在30分鐘后能充到60%,而傳統(tǒng)的充電僅是12%。另外Quick Charge 2.0還支持5V、9V、12V三種電壓,高電壓充電器可以適配更多設(shè)備,以此避免電壓損耗,保證充電效率。

  適配機(jī)型方面,當(dāng)初Quick Charge 1.0僅支持驍龍600處理器對應(yīng)的機(jī)型,而換到Quick Charge 2.0身上則可以支持驍龍200、400、410、615、800、801、805、810等處理器的機(jī)型,目前有許多智能手機(jī)都具備對Quick Charge 2.0的支持,包括Moto X(二代)、Nexus 6、LG G Flex 2、三星Galaxy Note 4、Note Edge、索尼Xperia Z3、Z3 Compact、HTC One M8、M9等等,同時還包括一些非驍龍?zhí)幚砥鞯臋C(jī)型,比如旗艦機(jī)型三星S6、S6 edge其實(shí)也支持Quick Charge 2.0。

  還需注意一點(diǎn),Quick Charge 2.0需要一個輸出功率更高的充電器,如果使用那些舊的充電器仍然只能維持在普通充電水平。

  聯(lián)發(fā)科Pump Express

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  除了Quick Charge 2.0之外,聯(lián)發(fā)科平臺也在去年2月與今年5月分別推出快充技術(shù)Pump Express以及Pump Express Plus,官方稱充電速度可以提升45%,同時也需要配合特定的充電器使用。

  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 三個檔位,為12V/9V/7V/5V/4.8V/4.6V/4.4V/4.2V/4.0V/3.8V/3.6V;

  Pump Express技術(shù)原理主要是內(nèi)置于PMIC電源管理集成電路,能允許充電器根據(jù)電流決定充電需要的初始電壓,此時PMIC發(fā)出脈沖電流指令通過USB的Vbus(USB電壓)傳送給充電器,充電器按照指令調(diào)節(jié)輸出電壓,電壓最終增加到5V時獲得最大充電電流。

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  當(dāng)恒流充電時,送往電池的電流不斷減少,根據(jù)上面這張圖能看到,從Nsec到Naux組成的反向變壓器上的電壓和電流產(chǎn)生變動,Naux輸出電流送給了Vsense引腳,Vsense電路會計算電流的變化,然后調(diào)高Npri變壓器的電壓,這樣次級線圈Nsec的輸出電壓也提高了。根據(jù)公式P=UI,輸往手機(jī)充電IC的功率就增大了;保證了當(dāng)電池的電壓接近4.2V時,不斷的執(zhí)行從P=UI(5V×很小電流)到P=UI(大于5V的電壓×很小電流)的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)了對電池的快速充電目的。

  產(chǎn)品方面,MT6630平臺最先使用了Pump Express技術(shù)。之后的Pump Express Plus主要被用在MT6575以及MT6732等新平臺中,例如我們熟悉的魅族MX5的mCharge技術(shù)就是基于Pump Express Plus,同時也包括其他采用MTK解決方案的手機(jī)。

  VOOC閃充技術(shù)

  Quick Charge 2.0以及Pump Express技術(shù)有一個共同點(diǎn)都是通過提高手機(jī)充電電壓的方式來實(shí)現(xiàn)快充,然而OPPO的這套快充思路顯然激進(jìn)一些,采用的是低電壓并提升電流的方式,比如Find 7配備的是5V電壓+5A電流的充電模式,30分鐘大概可以充入75%的電量。

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  VOOC閃充系統(tǒng)中兩樣與眾不同的硬件設(shè)計是7針micro USB接口和8個金屬觸點(diǎn)電池。一般來講,常規(guī)的micro USB接口為5針,而手機(jī)電池則為4至5個觸點(diǎn),但OPPO Find 7卻為7針、8觸點(diǎn),這多出來的針和觸點(diǎn)可以形成一個類似于多塊電池的串聯(lián)通道,從而提升充電速度。

  由于VOOC閃充技術(shù)并非是平臺化的技術(shù),因此目前僅支持OPPO自家的產(chǎn)品,比如OPPO Find 7、N3、R7,而且要配合閃充充電器來使用,局限性較大。

  未來電池技術(shù)什么樣?

  相比前兩年,如今快速充電技術(shù)已經(jīng)愈加成熟。在電池新技術(shù)遭遇瓶頸之時,快速充電技術(shù)可謂是解了燃眉之急。尤其是當(dāng)你出門在外,或者處理緊急事件時無法長時間充電的情況下,快充技術(shù)可以為你贏取更充足的時間。由此不難預(yù)測,未來快充技術(shù)或?qū)⒊蔀槊總€手機(jī)的標(biāo)配。

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  當(dāng)然,最終我們還是期待電池技術(shù)本身能有新的突破,盡管現(xiàn)在很多技術(shù)都處于概念階段,但有幾個比較靠譜的猜想值得關(guān)注。

  一種說法是說鋰離子電池會被鋰硫電池所取代。因?yàn)閭鹘y(tǒng)鋰電池在使用一段時間后會產(chǎn)生鋰金屬沉積從而造成電池容量膨脹、爆炸的風(fēng)險,這便是為什么鋰電池?zé)o法長久使用的主要原因。

  研究過程中發(fā)現(xiàn),使用鋰硫替代傳統(tǒng)鋰聚合物,不僅能夠獲得更高的充電能力,同時減少鋰金屬沉積物產(chǎn)生來增強(qiáng)穩(wěn)定性。設(shè)計上其實(shí)是在硫化物上添加一層薄薄的二氧化硅(玻璃),使硫與電解質(zhì)分離更容易在電極之間通過。

  另一種可行方案則是鋰金屬陽極新技術(shù),這種方案的本質(zhì)在于壓縮鋰電池的體積,確保讓智能手機(jī)保證輕薄的同時通過減少電池體積、增加電池數(shù)量的方式獲得更多電量。


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