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「科普」从5W慢充到100W快充,进步神速的手机快充是如何做到的?

作者:Zealer订阅号 来源:Zealer订阅号 公众号
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03-29

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3 月 25 日,小米联合创始人林斌在微博上公布了一段视频,视频显示,一部 4000mAh 的小米手机,仅需 17 分钟便可完全充满!而这项新技术的功率高达 100W!远远超过目前主流手机所使用的功率。



年纪稍大的机友看到这不知作何感想,回想功能机时代,那时候的手机电池一般只有 500mAh,充电器也只有 5V*0.5A,和今天对比,简直不值一提。


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那么手机快充是如何实现的?为什么在长期停滞不前之后又突然迎来跃升呢?在此之前,我们先来谈谈手机是如何充电的。


众所周知,手机充电依赖 4 个环节:充电器、数据线、电池以及电源管理芯片(IC),电流电压需要经过充电器和手机端的把控,再通过数据线的传输和电源管理芯片的控制,才能给手机充电。这 4 个环节决定着手机充电的安全和速度。


❶ 充电器也叫电源适配器,它的作用是把 220V 的居民用电电压转换为手机能够承受的电压,比如支持高通 QC2.0 协议的充电器,能将电压降到 12V/9V/5V 再传给手机。



❷ 数据线承担着运输电流电压的作用,过程中会损耗一些能量,所以数据线也影响着手机的充电效率。



❸ 电池相当于储水池,把数据线运输过来的电量保存起来,再供给手机去运行功能。



现在手机电池一般都是锂电池,它具有能量密度高、使用寿命长的优点,同时也大大减少了手机、笔记本等便携式电子设备的重量和体积。不过锂电池也有毛病,它的充放电电压最好在 2.4V~4.2V 之间,否则就有可能燃烧爆炸!这就是为什么坐飞机安检时,电池容量大的电子设备不给带的原因。


❹ 电源管理芯片,顾名思义是用来管理从充电器传输过来的电流电压,相当于政府机构,保证充电过程的稳定和调控,它的出现也降低了锂电池“发脾气”的风险。



比如手机电量快充满时,电源管理芯片就会开始发挥作用,自动减少充电电流、降低充电速度,保护电池寿命,这就是为什么手机充电至 80% 以上时速度会变慢的原因。

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以上就是充电的过程,接下来再说说快充。


前面说过,功能机时代,手机功能少,耗费的电量也少,即便一周充一次也能用。但智能手机的横空出世改变了这一切,大屏幕、多功能,高耗能模式让电量一下子紧张起来。但手机电池容量一共就这么多,怎么办呢?只有往提高充电速度去想办法了。



学过初中物理知识的机友都知道,想要提高功率,就得提高电流或者电压。厂商们也是这么做的。如今快充方案有三种:高电压低电流、大电流低电压、高电压大电流。具体如何提高呢?这就离不开手机充电的 4 个环节了。


前面也说过,充电器能够转换电压,但真正起决定作用的是处理器里的电源管理芯片,所以高通等芯片厂商才能制定充电标准,这也是高通 QC 协议的来源,手机厂商最多只能在充电器和数据线上做文章。


再来解释这三大快充方案是如何实现的。


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高电压低电流的原理是充电器先把 220V 的市电转换成 12V/9V/5V 这些低压,通过数据线传给手机,然后电源管理芯片再把电压进一步转化成 4.4V 以下的低电压大电流,这样手机电池才可以承受。



不过在早期,由于数据线只能承受 2A 以下的电流,传输过程也容易发热,导致损耗非常大,实际功率并不高。直到后来数据线质量提升,有些数据线也能承受 5A 电流,这一局面才改善了。


除了数据线,电源管理芯片在转化电压时也会产生损耗,转化率只有 90%,而且亮屏时发热也会产生损耗,所以为了安全和充电速度,采用这一快充方案的手机,一般亮屏时会变成慢充。


目前采用高压快充方案的,有联发科 PEP、三星 AFC、华为 FCP、高通 QC。


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另一种快充方案是大电流低电压,原理就是直接把电充给电池而不经过降压 IC,只经过充电器的一次降压,这样损耗减少了还能降低发热,实现了功率的提升,也能实现亮屏快充。



不过这种方案需要特定的数据线和充电器、甚至充电口来实现兼容。比如 OPPO 就对充电器、接口、数据线等进行了全方位的改造,才实现了 22.5V 的快充。


采用这一方案的,有 OPPO 的 VOOC 闪充、一加的 DASH、华为的 SCP 和荣耀的 MagicPower 等。


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但这两种快充方案都具有局限性,想要实现更大功率的提升,难上加上。直到 2017 年,魅族创造性地将电荷泵技术加入到快充,实现了 55W 的快充!



电荷泵是一种直流-直流转换器,利用电容器为储能元件,用来进行电压转换,直接提高了电压和电流,它的出现彻底改变了手机的充电速度。相比传统IC只有 90% 的转化率,电荷泵能带来 98% 的转化!而且还能降低发热。


在此之后,手机厂商纷纷跟进这项技术。华为 Mate 20 Pro 的 40W 快充、iQOO 的 44W 快充等,都采用了该技术。而 OPPO Find X 更是将这项技术改造了一下,采用双电芯串联结构,充电时两块电池一起充,电压就能降一半,然后利用电荷泵技术再降低一半,从而将充电功率提升到 50W。



不过遗憾的是,在电荷泵技术风靡行业的同时,它的创造者魅族却没能及时量产,导致对手捷足先登……

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至此,手机快充迎来了光速般的提升,我们再也不用担心手机充电需要等待漫长的时间了。看到这里,不知道各位机友有什么感想呢?


部分图片来源于网络

本文转载自手机教授


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